Électrolyse à membrane échangeuse d'anions
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L'électrolyse à membrane échangeuse d'anions (EAM ou (en) AEM) est un procédé d'électrolyse de l'eau utilisant une membrane semi-perméable appelée membrane échangeuse d'anions qui conduit les ions hydroxyde (OH−). La membrane, à l'instar d'une membrane échangeuse de protons (PEM) pour les protons, sépare les produits les ions négatifs (anions), assure l'isolation électrique entre les électrodes. Le principal avantage de l'électrolyse de l'eau AEM est qu'un catalyseur de métal noble à coût élevé n'est pas exigé, un catalyseur fait de métaux de transition à faible prix peut être employé à la place[1],[2]. L'électrolyse en eau alcaline (en) (AWE) se rapproche de l'AEM mais utilise un séparateur non sélectif d'ions au lieu d'une membrane échangeuse d'anions.
Perspectives et défis
Parmi toutes les méthodes d'électrolyse de l'eau, l'AEM seule peut combiner les avantages de l'électrolyse en eau alcaline (AWE) et l'électrolyse PEM[3],[4]. L'électrolyse à membrane électrolytique polymère (PEM) utilise des métaux coûteux du groupe du platine (PGM) tels que le platine, l'iridium et le ruthénium comme catalyseur. L'iridium, par exemple, est plus rare que le platine, or un électrolyseur PEM de 100 MW devrait en nécessiter 150 kg, ce qui coûtera environ 7 millions de dollars[5]. Comme l'électrolyse en eau alcaline, les électrodes dans l'électrolyse AEM fonctionnent dans un environnement alcalin, ce qui permet d'utiliser des catalyseurs non nobles et peu coûteux à base de Ni, Fe, Co, Mn, Cu, etc[1],[3],[4],[6],[7],[8].
L'électrolyseur AEM peut fonctionner avec de l'eau pure et avec des solutions légèrement alcalines (0,1 M KOH/NaOH) mais pas avec les solutions alcalines hautement concentrées (5 M KOH/NaOH) utilisées dans l'AWE[3],[9]. De la sorte, il réduit le risque de fuite[3]. L'utilisation d'une solution alcaline, en général du KOH/NaOH, augmente généralement la conductivité de la membrane et ajoute une voie conductrice d'ions hydroxydes qui augmente l'effet du catalyseur. La densité de courant d'un électrolyseur AEM sans catalyseur en métal du groupe du platine (PGM) fonctionnant à 1 A/cm2 révèle un besoin de 1,8 V dans une alimentation d'eau pure et 1,57 V pour 1 M KOH[10]. L'électrolyte peut être envoyé à la fois du côté de l'anode et de la cathode ou du côté de l'anode uniquement[11].
Dans le modèle à espacement nul de l'électrolyse en eau alcaline, les électrodes ne sont séparées que par un diaphragme inséré entre les gaz. Celui-ci, censé ne laisser passer que l'eau et les ions hydroxydes, n'arrête pas complètement le gaz. L'oxygène gazeux peut entrer dans la demi-cellule d'hydrogène et réagir du côté de la cathode pour former de l'eau, et réduit ainsi l'efficacité de la cellule. La traversée de gaz, du H2 vers l'O2 côté évolution, peut aussi poser un problème de sécurité, car le mélange de gaz devient explosif au-dessus de 4 % mol H2[9],[12]. L'électrolyseur AEM, quant à lui, maintient le passage d'H2 à moins de 0,4 % pendant 5 000 h de fonctionnement[13].
L'AEM basée sur une structure de polymère aromatique est prometteuse en raison du niveau significativement bas des coûts. À titre de comparaison, dans la PEM, la production de nafion a exigé des produits chimiques hautement toxiques, qui en ont augmenté le coût (> 1 000 $/m2)[14],[15] et les gaz perfluorocarbures, émis au stade de production de tétrafluoroéthylène, a un fort impact sur l'environnement[16]. Les matières premières fluorées ne sont pas nécessaires pour l'AEM, ce qui permet une sélection plus large de chimie des polymères à faible coût[2].
Enfin, la conception du dispositif peut très compacte[17].
L'électrolyse à membrane échangeuse d'anions est encore au stade précoce de la recherche et du développement, tandis que l'électrolyse en eau alcaline est au stade mature et l'électrolyse PEM est au stade commercial. Il y a moins de littérature scientifique sur les électrolyseurs AEM alimentés en eau pure par rapport à ceux à solution KOH[12]. Le principal défi technique auquel est confronté un électrolyseur AEM au niveau du consommateur est la faible durabilité de la membrane, qui fait référence à la courte durée de vie ou à la longévité du dispositif. Les durées de vie des empilements électrolyseurs PEM vont de 20 000 à 80 000 h[10],[9]. Des études scientifiques ont montré que la durabilité de l'électrolyseur AEM est supérieure à 2 000 h (alimenté en eau pure), à 12 000 h (alimenté en concentré de KOH) et à 700 h (1 wt% K2CO3) avec un catalyseur du groupe Pt sur l'anode et la cathode[10].
L'AEM doit surmonter des obstacles à une utilisation à grande échelle, l'augmentation de la conductivité ionique et de la durabilité y est essentielle. De nombreux AEM tombent en panne à des températures supérieures à 60°C. Il faut donc qu'elle puisse tolérer la présence d'O2, un pH élevé et des températures supérieures à 60°C[19],[20].
