Cycle CeO2/Ce2O3

Le cycle CeO2/Ce2O3, ou cycle oxyde de cérium(IV)-oxyde de cérium(III), est un procédé thermochimique de production d'hydrogène par craquage de l'eau faisant intervenir l'oxyde de cérium(IV) CeO2 et l'oxyde de cérium(III) Ce2O3[1] qui sépare l'oxygène et l'hydrogène de l'eau de manière séquentielle à travers deux systèmes rédox[2] :

4 CeO2 ⟶ 2 Ce2O3 + O2↑ ;
2 Ce2O3 + 2 H2O ⟶ 4 CeO2 + 2 H2↑.

La première des deux réactions est une thermolyse endothermique sous atmosphère inerte à 2 000 °C dans un héliostat concentrant la lumière du soleil, ce qui donne une pression partielle de 100 à 200 hPa d'oxygène ; la seconde réaction est une hydrolyse exothermique à une température de 400 à 600 °C dans un réacteur à catalyse hétérogène.

L'intérêt de ce type de procédé de craquage de l'eau en deux étapes, qui était à l'étape expérimentale début 2021[3],[4], est de produire l'hydrogène et l'oxygène de manière indépendante, ce qui dispense de devoir les séparer dans un dispositif commun et limite les risques d'explosion ; les principales difficultés sont liées aux températures élevées requises par ces procédés, qui nécessitent l'utilisation de matériaux de pointe mis en œuvre à travers des technologies avancées[5]. Les conditions opératoires exigeantes de la thermolyse limitent la durée de vie des matériaux employés, notamment par sublimation du CeO2[6]. Des études ont montré qu'il est cependant possible d'abaisser la température de thermolyse par l'adjonction de cations métalliques dans l'oxyde de cérium[7],[8].

Notes et références
  1. (en) Julio Valle-Hernández, Hernando Romero-Paredes, Camilo A. Arancibia-Bulnes, Heidi I. Villafan-Vidales et Gilberto Espinosa-Paredes, « Modeling of a CeO2 thermochemistry reduction process for hydrogen production by solar concentrated energy », AIP Conference Proceedings, vol. 1734, no 1,‎ , article no 120008 (DOI 10.1063/1.4949210, Bibcode 2016AIPC.1734l0008V, lire en ligne)
  2. (en) William C. Chueh, Christoph Falter, Mandy Abbott, Danien Scipio, Philipp Furler, Sossina M. Haile et Aldo Steinfeld, « High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO2 and H2O Using Nonstoichiometric Ceria », Science, vol. 330, no 6012,‎ , p. 1797-1801 (PMID 21205663, DOI 10.1126/science.1197834, JSTOR 40986583, Bibcode 2010Sci...330.1797C, lire en ligne)
  3. (en) Yanpeng Mao, Yibo Gao, Wei Dong, Han Wu, Zhanlong Song, Xiqiang Zhao, Jing Sun et Wenlong Wang, « Hydrogen production via a two-step water splitting thermochemical cycle based on metal oxide – A review », Applied Energy, vol. 267,‎ , article no 114860 (DOI 10.1016/j.apenergy.2020.114860, lire en ligne)
  4. (en) Stéphane Abanades, « Metal Oxides Applied to Thermochemical Water-Splitting for Hydrogen Production Using Concentrated Solar Energy », ChemEngineering, vol. 3, no 3,‎ , article no 63 (DOI 10.3390/chemengineering3030063, lire en ligne)
  5. (en) Volodymyr Shatokha, Iulia Sokur et Liudmyla Kamkina, « Study on Water Splitting Potential of Some Metallurgical Wastes for Production of Hydrogen », Journal of Sustainable Metallurgy, vol. 2,‎ , p. 116-122 (DOI 10.1007/s40831-015-0038-0, lire en ligne)
  6. (en) Stéphane Abanades et Gilles Flamant, « Thermochemical hydrogen production from a two-step solar-driven water-splitting cycle based on cerium oxides », Solar Energy, vol. 80, no 12,‎ , p. 1611-1623 (DOI 10.1016/j.solener.2005.12.005, Bibcode 2006SoEn...80.1611A, lire en ligne)
  7. (en) H. Kaneko, H. Ishihara, S. Taku, Y. Naganuma, N. Hasegawa et Y. Tamaura, « Cerium ion redox system in CeO2–xFe2O3 solid solution at high temperatures (1,273–1,673 K) in the two-step water-splitting reaction for solar H2 generation », Journal of Materials Science, vol. 43, no 9,‎ , p. 3153-3161 (DOI 10.1007/s10853-008-2499-z, Bibcode 2008JMatS..43.3153K, lire en ligne)
  8. (en) H. Kaneko, T. Miura, H. Ishihara, S. Taku, T. Yokoyama, H. Nakajima et Y. Tamaura, « Reactive ceramics of CeO2–MOx (M=Mn, Fe, Ni, Cu) for H2 generation by two-step water splitting using concentrated solar thermal energy », Energy, vol. 32, no 5,‎ , p. 656-663 (DOI 10.1016/j.energy.2006.05.002, lire en ligne)
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