Des chercheurs affiliés à l’Institut de technologie de Pékin ont conçu rationnellement un électrocatalyseur présentant à la fois des phases amorphes et cristallines, ainsi que d’abondants défauts, afin de diviser plus efficacement l’eau et de produire de l’hydrogène gazeux propre. Crédit : Nano Research Energy, Tsinghua University Press
Un défaut n’est pas toujours une mauvaise chose. C’est particulièrement vrai dans l’amélioration du processus d’électrocatalyse utilisé pour produire de l’hydrogène propre, où il pourrait en fait être une très bonne chose. Des chercheurs chinois ont mis au point un électrocatalyseur – qui accélère une réaction souhaitée – avec des architectures à la fois amorphes et cristallines contenant des défauts dans la structure atomique. Ces défauts permettent à l’électrocatalyseur de déclencher une activité réactionnelle « supérieure », selon l’équipe.
Les conclusions des chercheurs ont été récemment publiées dans la revue Nano Research Energy.
« La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau – ou l’utilisation du courant électrique pour diviser l’eau afin de séparer l’hydrogène de l’oxygène – grâce aux énergies renouvelables est une technologie prometteuse pour atténuer et résoudre la crise de l’énergie et de l’environnement », a déclaré Cuiling Li, professeur à l’Institut technique de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences, qui est également affilié à l’Institut de technologie de Pékin et à l’Institut de technologie de Binzhou.
La réaction d’évolution de l’oxygène est la réaction anodique de l’électrolyse de l’eau, dans laquelle le courant continu provoque une réaction chimique qui sépare les molécules d’oxygène des molécules d’eau. Cependant, Li a qualifié cette réaction de « processus lent », ce qui limite l’électrolyse de l’eau en tant que mécanisme durable de production d’hydrogène gazeux. Selon M. Li, la réaction de transformation de l’oxygène est lente parce qu’elle nécessite beaucoup d’énergie pour déclencher la manière dont les molécules transfèrent leurs constituants, mais elle pourrait être accélérée avec moins d’énergie si elle était intégrée à des catalyseurs plus efficaces.
« L’exploitation d’électrocatalyseurs efficaces pour la réaction de dégagement de l’oxygène est essentielle au développement de dispositifs électrochimiques pour la conversion d’énergie propre », a déclaré M. Li.
Les chercheurs se sont tournés vers l’oxyde de ruthénium, un catalyseur moins coûteux qui adhère moins aux réactifs et aux intermédiaires que les autres catalyseurs.
« Des nanomatériaux à base d’oxyde de ruthénium présentant de meilleures performances en matière de réaction de dégagement de l’oxygène par rapport aux produits commerciaux ont été rapportés, tandis que des stratégies de conception d’électrocatalyseurs plus sophistiquées pour évoquer des performances catalytiques plus efficaces sont requises de toute urgence et largement inexplorées », a déclaré M. Li.
Pour combler cette lacune, les chercheurs ont synthétisé des particules poreuses d’oxyde de ruthénium. Ils ont ensuite traité les particules pour produire des hétérophases rationnellement régulées, ce qui signifie que les particules contiennent différentes architectures intégrées ensemble. La structure poreuse et hétérophase fournit les défauts – essentiellement des entailles dans la structure atomique – qui permettent d’augmenter le nombre de sites actifs pour que la réaction de transformation de l’oxygène se déroule avec plus d’efficacité, selon M. Li.
« L’abondance des défauts, des limites cristallines et de l’accessibilité aux sites actifs des échantillons obtenus a permis de démontrer une performance supérieure de la réaction de dégagement de l’oxygène », a déclaré M. Li, expliquant que les électrocatalyseurs modifiés ne produisent pas seulement une meilleure réaction de dégagement de l’oxygène, mais qu’ils le font également en consommant moins d’électricité pour alimenter le processus. « Cette étude démontre l’importance de l’ingénierie des phases et ouvre une nouvelle voie pour la conception et la synthèse de catalyseurs combinés à des stratégies.
Référence : « Phase engineering oriented defect-rich amorphous/crystalline RuO2 nanoporous particles for boosting oxygen evolution reaction in acid media » par Chengming Wang, Qinghong Geng, Longlong Fan, Jun-Xuan Li, Lian Ma et Cuiling Li, 15 mai 2023, Nano Research Energy.
DOI : 10.26599/NRE.2023.9120070
Les autres contributeurs sont Chengming Wang, Qinghong Geng, Longlong Fan, Jun-Xuan Li et Lian Ma, tous du Key Laboratory of Cluster Science, Ministry of Education, Beijing Key Laboratory of Photoelectronic/Electrophonic Conversion Materials, School of Chemistry and Chemical Engineering, Beijing Institute of Technology.
Le Centre d’analyse et d’essai de l’Institut de technologie de Pékin a apporté son soutien technique à cette recherche.