Cycle Fe3O4/FeO

Le cycle Fe₃O₄/FeO est un procédé thermochimique de production d'hydrogène par craquage de l'eau faisant intervenir l'oxyde de fer(II,III) Fe₃O₄ et l'oxyde de fer(II) FeO qui sépare l'oxygène et l'hydrogène de l'eau de manière séquentielle à travers deux systèmes rédox, dont les équations générales s'écrivent :

Schéma simplifié du cycle de l'oxyde de fer

2 MO·Fe₂O₃ ⟶ 2 MO + 4 FeO + O₂↑ ;

MO + 2 FeO + H₂O ⟶ MO·Fe₂O₃ + H₂↑.

où M peut être n'importe quel métal, souvent Fe lui-même, Co, Ni, Mn, Zn ou des alliages des précédents. La première des deux réactions est une thermolyse endothermique à une température d'au moins 1 400 °C ; la seconde est une hydrolyse exothermique à une température d'environ 1 000 °C dans un réacteur à catalyse hétérogène. Les températures requises pour ces réactions sont obtenues à l'aide de tours solaires ou d'héliostats concentrant la lumière du soleil, voire peuvent être d'origine géothermique, comme mis en œuvre dans une expérience à Hawaï.

Ce procédé repose sur la réduction des ions ferriques Fe³⁺ puis l'oxydation des ions ferreux Fe²⁺. Les ferrites commencent le cycle sous forme spinelle puis donnent de la wustite ou d'autres spinelles.

Une variante de ces réactions fait intervenir l'hercynite, minéral de formule chimique FeO·Al₂O₃, susceptible d'être réduit à 1 200 °C. On l'obtient en chauffant un ferrite avec de l'alumine Al₂O₃, ce qui donne les réactions :

2 MO·Fe₂O₃ + 6 Al₂O₃ ⟶ 2 MO·Al₂O₃ + 4 FeO·Al₂O₃ + O₂↑ ;

MO·Al₂O₃ + 2 FeO·Al₂O₃ + H₂O ⟶ MO·Fe₂O₃ + 3 Al₂O₃ + H₂↑.

Ces réactions, appelées cycle de l'hercynite ou cycle ferrite/hercynite, ont par exemple été expérimentées avec du ferrite de cobalt CoO·Fe₂O₃.

L'intérêt de ce type de procédé de craquage de l'eau en deux étapes, qui était à l'étape expérimentale début 2021, 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.