Dans des travaux qui pourraient inaugurer des processus plus efficaces et plus respectueux de l’environnement pour la production de métaux importants comme le lithium, le fer et le cobalt, des chercheurs du MIT et du SLAC ont cartographié ce qui se passe au niveau atomique derrière une approche particulièrement prometteuse appelée électrolyse des métaux.
En créant des cartes pour une large gamme de métaux, ils ont non seulement déterminé quels métaux devraient être les plus faciles à produire en utilisant cette approche, mais ont également identifié les obstacles fondamentaux derrière la production efficace des autres. Ainsi, la carte des chercheurs pourrait devenir un outil de conception important pour optimiser la production de tous ces métaux.
Les travaux pourraient également contribuer au développement de batteries métal-air, cousines des batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques d’aujourd’hui.
La plupart des métaux essentiels à la société d’aujourd’hui sont produits à partir de combustibles fossiles. Ces combustibles génèrent les températures élevées nécessaires pour convertir le minerai d’origine en son métal purifié. Mais ce processus est une source importante de gaz à effet de serre – l’acier représente à lui seul environ 7 % des émissions de dioxyde de carbone dans le monde. En conséquence, des chercheurs du monde entier s’efforcent d’identifier des moyens plus respectueux de l’environnement pour la production de métaux.
Une approche prometteuse est l’électrolyse des métaux, dans laquelle un oxyde métallique, le minerai, est zappé avec de l’électricité pour créer du métal pur avec de l’oxygène comme sous-produit. C’est la réaction explorée au niveau atomique dans la recherche actuelle, qui est rapportée dans le numéro du 8 avril 2022 de la revue Chimie des matériaux.
Donald Siegel est directeur du département et professeur de génie mécanique à l’Université du Texas à Austin. Dit Siegel, qui n’était pas impliqué dans le Chimie des matériaux étude : « Ce travail est une contribution importante à l’amélioration de l’efficacité de la production de métaux à partir d’oxydes métalliques. Il clarifie notre compréhension des processus d’électrolyse à faible teneur en carbone en retraçant la thermodynamique sous-jacente jusqu’aux interactions métal-oxygène élémentaires. Je m’attends à ce que ce travail aide dans la création de règles de conception qui rendront ces processus industriels importants moins dépendants des combustibles fossiles. »
Yang Shao-Horn, professeur d’ingénierie JR East au Département de science et d’ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT et au Département de génie mécanique du MIT, est à la tête des travaux en cours avec Michal Bajdich du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie.
« Ici, nous visons à établir une compréhension de base pour prédire l’efficacité de la production électrochimique de métaux et des batteries métal-air en examinant les barrières thermodynamiques calculées pour la conversion entre le métal et les oxydes métalliques », explique Shao-Horn, qui fait partie de l’équipe de recherche de Le nouveau Centre d’électrification et de décarbonisation de l’industrie du MIT, lauréat du tout premier concours Climate Grand Challenges de l’Institut. Shao-Horn est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux et au Laboratoire de recherche en électronique du MIT.
En plus de Shao-Horn et Bajdich, les autres auteurs de l’article sur la chimie des matériaux sont Jaclyn R. Lunger, premier auteur et étudiante diplômée DMSE, et Naomi Lutz et Jiayu Peng. Lutz a obtenu son baccalauréat du MIT en génie mécanique en 2022. Peng est une étudiante diplômée du DMSE.
Autres applications
Les travaux pourraient également contribuer au développement de batteries métal-air telles que les batteries lithium-air, aluminium-air et zinc-air. Ces cousines des batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques d’aujourd’hui ont le potentiel d’électrifier l’aviation car leurs densités d’énergie sont beaucoup plus élevées. Cependant, ils ne sont pas encore sur le marché en raison de divers problèmes, dont l’inefficacité.
La charge des batteries métal-air implique également l’électrolyse. En conséquence, la nouvelle compréhension au niveau atomique de ces réactions pourrait non seulement aider les ingénieurs à développer des voies électrochimiques efficaces pour la production de métaux, mais également à concevoir des batteries métal-air plus efficaces.
Apprendre de la division de l’eau
L’électrolyse est également utilisée pour séparer l’eau en oxygène et en hydrogène, qui stocke l’énergie résultante. Cet hydrogène, à son tour, pourrait devenir une alternative écologique aux combustibles fossiles. Comme on en sait beaucoup plus sur l’électrolyse de l’eau, l’objet des travaux de Bajdich au SLAC, que sur l’électrolyse des oxydes métalliques, l’équipe a comparé les deux procédés pour la première fois.
Le résultat : « Peu à peu, nous avons découvert les étapes élémentaires impliquées dans l’électrolyse des métaux », explique Bajdich. Le travail était difficile, dit Lunger, car « nous ne savions pas quelles étaient ces étapes. Nous devions trouver comment passer de A à B », ou d’un oxyde métallique à un métal et à de l’oxygène.
Tous les travaux ont été menés avec des simulations de supercalculateurs. « C’est comme un bac à sable d’atomes, puis nous jouons avec eux. C’est un peu comme des Legos », explique Bajdich. Plus précisément, l’équipe a exploré différents scénarios d’électrolyse de plusieurs métaux. Chacun impliquait différents catalyseurs, des molécules qui accélèrent la vitesse d’une réaction.
Dit Lunger, « Pour optimiser la réaction, vous voulez trouver le catalyseur qui le rend le plus efficace. » La carte de l’équipe est essentiellement un guide pour concevoir les meilleurs catalyseurs pour chaque métal différent.
Et après? Lunger a noté que les travaux en cours se concentraient sur l’électrolyse des métaux purs. « Je suis intéressé de voir ce qui se passe dans des systèmes plus complexes impliquant plusieurs métaux. Pouvez-vous rendre la réaction plus efficace s’il y a du sodium et du lithium présents, ou du cadmium et du césium ? »
Jaclyn R. Lunger et al, Cation-Dependent Multielectron Cinetics of Metal Oxide Splitting, Chimie des matériaux (2022). DOI : 10.1021/acs.chemmater.2c00602