Production d'hydrogène par des électrodes en carbone par simulations moléculaires – HYDROUS

Le projet HYDROUS a pour but d'améliorer la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau par des électrodes en carbone poreux à l'aide de simulations numériques. Actuellement, l'hydrogène est principalement produit par des procédés polluants, comme le vapocraquage du méthane, qui contribuent aux émissions de gaz à effet de serre. L'électrolyse de l'eau, bien qu'elle soit une méthode propre, nécessite beaucoup d'énergie et des catalyseurs coûteux, souvent à base de métaux précieux comme le platine. C'est ici que le projet HYDROUS intervient, en explorant l'utilisation de matériaux moins onéreux et plus durables.

Les électrodes en carbone poreux présentent plusieurs avantages. Leur structure poreuse offre une grande surface de contact, ce qui peut améliorer l'efficacité des réactions chimiques. De plus, le carbone est un matériau abondant et relativement peu coûteux. Cependant, pour optimiser ces électrodes, il est essentiel de comprendre précisément ce qui se passe à leur surface au niveau moléculaire pendant l'électrolyse. La simulation atomistique permet de zoomer sur ces mécanismes qui ont lieu à l'échelle moléculaire.

Des modèles d'électrodes simplifiés mais réalistes seront développés pour mieux découpler les différents effets entrant en jeu dans ces systèmes. Ces modèles permettront d'étudier comment la taille et la forme des pores dans le carbone influencent la production d'hydrogène. L'accent sera porté sur l'étude de la dynamique des ions, présents dans l'eau, sur leur adsorption dans les pores du carbone, et comment cela affecte la réaction de production d'hydrogène. En simulant la dissociation de l'eau, il sera possible d'identifier les conditions optimales pour maximiser l'efficacité de la réaction (type de porosité, type d'ions, voltage, etc.).

Pour ce faire, le projet utilisera des simulations moléculaires avancées, notamment des champs de force réactifs, qui permettent de simuler des réactions chimiques comme la dissociation de l'eau. Des méthodes de polarisation seront utilisées pour simuler l'effet d'un champ électrique sur les électrodes à différents voltages. Les simulations permettront d'explorer différents scénarios, comme l'effet de la taille des pores, la chimie de surface, et la présence de défauts dans le carbone. Les résultats des simulations seront comparés avec des expériences telles que la voltammétrie cyclique, qui peut nous informer sur le nombre d'ions adsorbés lorsque les électrodes sont polarisées et sur l'efficacité de la production de dihydrogène. La dynamique moléculaire sera utilisée pour reproduire les chemins de réaction lors de la dissociation de l'eau et expliquer comment elles sont affectées par la structure du carbone poreux et l'adsorption des ions.

Les résultats attendus du projet HYDROUS devraient fournir des informations précieuses sur les mécanismes de production d'hydrogène à l'échelle moléculaire. Ces connaissances permettront de concevoir des électrodes en carbone poreux plus efficaces, contribuant ainsi à rendre la production d'hydrogène par électrolyse plus viable économiquement et plus durable. Les résultats pourraient également avoir des applications au-delà de la production d'hydrogène, par exemple dans les supercondensateurs et les systèmes de désalinisation capacitive ou encore pour la capture du lithium en solution.