Les champs magnétiques au service de l'énergie propre

À une époque où la recherche de sources d'énergie durables est devenue primordiale, les chercheurs explorent sans relâche des voies innovantes pour améliorer les processus de production de carburant. L'un des outils les plus importants pour convertir l'énergie chimique en énergie électrique et vice versa est l'électrocatalyse, qui est déjà utilisée dans diverses technologies d'énergie verte.

L'électrocatalyse accélère les réactions électrochimiques grâce à l'utilisation de catalyseurs - des substances qui augmentent la vitesse de réaction sans être consommées elles-mêmes. L'électrocatalyse est fondamentale dans des dispositifs tels que les piles à combustible et les électrolyseurs, où elle permet la transformation efficace de combustibles tels que l'hydrogène et l'oxygène en électricité, ou de l'eau en hydrogène et en oxygène, respectivement, facilitant ainsi un cycle d'énergie propre.

Mais le problème, c'est l'efficacité. Les méthodes traditionnelles d'électrocatalyse ne parviennent souvent pas à maximiser le transport des réactifs vers la surface du catalyseur, ce qui constitue une étape clé de la conversion énergétique. Cela réduit l'efficacité globale de la réaction et ralentit notre progression vers des solutions énergétiques propres.

Aujourd'hui, des scientifiques dirigés par Magalí Lingenfelder à l'EPFL ont développé une nouvelle approche pour suivre les processus fondamentaux qui améliorent l'efficacité de la production de carburant propre. Publiés dans Nature Communications, les travaux se concentrent sur l'intersection prometteuse des champs magnétiques et de l'électrocatalyse, offrant une voie vers des technologies de production de carburant plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement.

L'étude a montré qu'entourer les catalyseurs de champs magnétiques crée des forces de Lorentz, c'est-à-dire les forces que les champs magnétiques exercent sur les charges électriques en mouvement. Ces forces induisent à leur tour des mouvements tourbillonnaires qui améliorent le mouvement des réactifs et des produits à la surface du catalyseur, garantissant ainsi une réaction plus cohérente et plus rapide, tout en surmontant les limites posées par la rareté des réactifs, un obstacle courant dans des réactions telles que la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), essentielle pour les piles à combustible.

Pour ce faire, les chercheurs ont dû construire un outil permettant d'observer le mouvement des ions en temps réel sous un champ magnétique, à l'aide d'une installation magnéto-électrochimique avancée. Pour la réalisation de ce dispositif sophistiqué, Mme Lingenfelder s'est adressée à son voisin de bureau et expert en spintronique, le professeur Jean-Philippe Ansermet, qui a également étudié les effets de spin en électrochimie.

«Nous avons adapté l'électro-aimant de Jean-Philippe pour mesurer les effets du champ magnétique sur des réactions électrocatalytiques clés pour l'énergie verte», explique-t-elle. «En utilisant une astuce créative développée par Priscila et Yunchang [les premiers auteurs de l'étude], nous avons pu suivre in situ la façon dont les ions se déplacent dans l'électrolyte sous un champ magnétique et fournir une base solide sur la façon d'appliquer les champs magnétiques pour stimuler l'électrocatalyse de manière reproductible».

En appliquant des champs magnétiques à des électrodes non magnétiques et en surveillant les réactions, les scientifiques ont pu découpler les différents effets et observer comment les forces magnétiques peuvent agiter et améliorer le mouvement des réactifs autour du catalyseur. Ce processus, qui s'apparente à la création de tourbillons miniatures, améliore considérablement l'efficacité des réactions cruciales pour la production d'hydrogène vert, offrant ainsi une voie prometteuse pour l'avancement des technologies énergétiques durables.

La nouvelle méthode est-elle pratique? Dans l'étude, les scientifiques montrent une augmentation de plus de 50 % de l'activité de la réaction de réduction de l'oxygène induite par des champs magnétiques sur des interfaces non magnétiques. Cela représente un saut substantiel en termes d'efficacité, mais surtout, cela a permis à l'équipe de résoudre de nombreuses controverses fondamentales dans le domaine en démontrant les mécanismes et les conditions nécessaires pour que les champs magnétiques améliorent différentes réactions électrocatalytiques impliquant des produits gazeux ou des réactifs tels que l'hydrogène et l'oxygène.

Cette étude ouvre la voie à l'utilisation de champs magnétiques pour améliorer l'efficacité de l'électrocatalyse, ce qui peut nous propulser vers une production de carburant durable plus efficace. Elle peut révolutionner les technologies de conversion de l'énergie, généraliser l'utilisation des piles à combustible, par exemple dans les véhicules à hydrogène, et accroître la production d'hydrogène en tant que source d'énergie propre, tout en atténuant l'impact de notre consommation d'énergie sur le changement climatique de la planète.

Autres contributeurs

Université nationale de San Martin (UNSAM)