Cathodes à diffusion de gaz sans ionomère et à haute performance avec faible charge en Pt pour l’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse de protons

Transformer l’eau en carburant avec moins de métal précieux

L’hydrogène produit à partir d’eau et d’électricité renouvelable est souvent présenté comme un carburant propre pour l’industrie lourde, le transport maritime et le stockage d’énergie à long terme. Mais les dispositifs les plus efficaces pour fendre l’eau reposent aujourd’hui sur de grandes quantités de platine, l’un des métaux les plus rares et coûteux de la planète. Cette étude montre une méthode permettant d’utiliser presque cent fois moins de platine d’un côté de ces dispositifs, sans sacrifier les performances ni la stabilité, rapprochant l’hydrogène vert abordable d’un pas décisif.

Pourquoi réduire l’usage du platine importe

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons modernes — des dispositifs compacts qui séparent l’eau en hydrogène et oxygène — fonctionnent bien mais s’appuient fortement sur deux métaux rares « nobles ». L’iridium catalyse la réaction de formation d’oxygène à l’anode, tandis que le platine pilote la formation d’hydrogène à la cathode. Même si le platine est un excellent catalyseur en laboratoire, dans les dispositifs réels une grande partie du métal se trouve enfouie dans une couche épaisse mélangée à un liant conducteur d’ions de type plastique. Seule une fraction du métal est effectivement en contact simultané avec l’eau, le gaz et la membrane, condition nécessaire au déroulement de la réaction. En conséquence, les fabricants compensent en ajoutant davantage de platine, ce qui augmente à la fois le coût et la demande en matériau.

Une méthode en une étape pour placer les atomes précisément

Les chercheurs ont abordé ce problème en repensant la fabrication de la cathode. Au lieu de préparer une encre liquide et de la pulvériser sur un support, ils ont utilisé une technique en phase gazeuse appelée dépôt en couches atomiques (ALD). En ALD, la surface est exposée à des impulsions alternées d’un précurseur contenant du platine et d’un gaz réactif, permettant au platine de croître sous forme de nanoparticules minuscules et bien séparées, couche par couche. Ils ont appliqué ce procédé directement sur une couche de diffusion de gaz commerciale — une feuille de carbone poreuse laissant circuler l’eau et les gaz — éventuellement recouverte d’une mince « couche microporeuse » supplémentaire qui lisse la surface. En ajustant le nombre de cycles ALD, ils ont pu contrôler à la fois combien d’atomes de platine étaient déposés et la taille des particules, le tout avec une précision nanométrique.

Construire une couche de cathode plus fine et plus intelligente

Des images soignées et des analyses de surface ont confirmé que la méthode ALD produisait des nanoparticules de platine uniformes situées principalement à la surface externe du support plutôt qu’en profondeur. Sur la couche microporeuse, les particules étaient particulièrement petites et bien réparties, souvent inférieures à deux nanomètres aux plus faibles charges de métal. Parce que cette couche mince et lisse assure un bon contact avec la membrane polymère tout en restant déperlante à l’eau, elle favorise l’évacuation des bulles d’hydrogène et maintient un apport d’eau frais vers les sites actifs. Des tests électriques dans des cellules d’électrolyse complètes ont montré que ces nouvelles cathodes, même avec des quantités de platine extrêmement faibles, comprises entre environ 1 et 5 microgrammes par centimètre carré, pouvaient égaler ou dépasser des électrodes de référence commerciales dont la teneur en platine est plus de cent fois supérieure.

Performances, efficience et durabilité

Pour comprendre comment et pourquoi la nouvelle conception fonctionne si bien, l’équipe a décomposé la tension de la cellule en contributions liées à la vitesse de réaction, à la résistance électrique et au transport des gaz. Ils ont constaté que lorsque le platine était déposé par ALD sur une couche microporeuse, la vitesse de la réaction de formation d’hydrogène restait comparable à celle des électrodes conventionnelles riches en platine, malgré la teneur en métal drastiquement réduite. Parallèlement, la région catalytique plus mince et mieux organisée réduisait les problèmes d’accumulation de gaz qui, autrement, peuvent gaspiller de l’énergie. Lorsqu’ils ont normalisé les performances par la masse réelle de platine, l’avantage est devenu net : leurs meilleures cathodes sans ionomère présentaient des activités massiques jusqu’à trois ordres de grandeur supérieures à celles des dispositifs commerciaux standard et surpassaient les meilleurs résultats rapportés jusqu’à présent dans la littérature scientifique.

Vérifier la durabilité dans des conditions réalistes

Utiliser moins de platine n’a de sens que si le dispositif reste stable en usage prolongé et sous les fluctuations de puissance typiques de l’éolien et du solaire. L’équipe a donc testé leurs meilleures électrodes pendant 200 heures à un courant élevé, équivalent à des taux de production d’hydrogène pertinents industriellement. La tension de la cellule est restée quasi constante, avec seulement une dégradation minime. Dans un essai séparé mimant des variations rapides d’apport de puissance — en cyclant la tension de la cellule entre des valeurs basses et hautes pendant 25 000 cycles — les électrodes n’ont de nouveau montré que de faibles pertes de performance. Des mesures électriques avant et après ces tests ont indiqué que ni l’activité intrinsèque du platine ni la résistance globale de la cellule n’avaient changé de façon appréciable.

Ce que cela signifie pour l’hydrogène vert

En termes simples, ce travail montre comment « utiliser chaque atome à bon escient ». En plaçant le platine exactement là où il est nécessaire, dans une couche très mince à l’interface entre un support poreux lisse et la membrane, les chercheurs obtiennent la même production d’hydrogène avec environ 99,5 % de platine en moins sur la cathode que les conceptions commerciales actuelles. Parce que le procédé ALD peut être adapté à une production en rouleau continu, similaire à l’impression des journaux, il offre une voie réaliste vers la fabrication de masse. S’il est combiné à des efforts parallèles pour réduire l’usage d’iridium à l’anode, de telles avancées pourraient rendre la production d’hydrogène vert à grande échelle, efficace et économiquement viable.

Citation: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

Mots-clés: hydrogène vert, électrolyse de l’eau, catalyseur au platine, dépôt en couches atomiques, électrode à diffusion de gaz