Hydrogène vert : des progrès plus rapides grâce aux sources modernes de rayons X
Pour produire de l'hydrogène vert, l'eau peut être fractionnée par électrocatalyse, alimentée par des sources renouvelables telles que le soleil ou le vent. Un article de synthèse paru dans la revue Angewandte Chemie Int. Ed. montre comment les sources modernes de rayons X telles que BESSY II peuvent faire progresser le développement d'électrocatalyseurs appropriés. En particulier, la spectroscopie d'absorption des rayons X peut être utilisée pour déterminer les états actifs des matériaux catalytiques pour la réaction d'évolution de l'oxygène. Il s'agit d'une contribution importante au développement de catalyseurs efficaces à partir d'éléments peu coûteux et largement disponibles.
Les oxydes de manganèse se présentent sous de nombreuses variantes structurelles différentes. Ils constituent une classe de matériaux intéressante pour les électrocatalyseurs.
© M. Risch/HZB
L'hydrogène vert est un vecteur énergétique d'avenir. Il est obtenu par la division électrolytique de l'eau avec l'énergie du vent ou du soleil et stocke cette énergie sous forme chimique. Pour faciliter le fractionnement des molécules d'eau (et réduire l'apport énergétique), les électrodes sont recouvertes de matériaux catalytiques. Le Dr Marcel Risch et son groupe de jeunes chercheurs, Oxygen Evolution Mechanism Engineering, étudient l'évolution de l'oxygène dans l'électrocatalyse de l'eau. En effet, l'évolution de l'oxygène, en particulier, doit fonctionner plus efficacement pour une production économique d'hydrogène.
Une classe de matériaux passionnante
Les oxydes de manganèse, qui se présentent sous de nombreuses variantes structurelles, constituent une classe de matériaux intéressante pour les électrocatalyseurs. "Le nombre d'oxydation du matériau et la façon dont il évolue au cours de la réaction constituent un critère décisif pour l'aptitude à servir d'électrocatalyseur", explique M. Risch. Dans le cas des oxydes de manganèse, il existe également une grande diversité d'états d'oxydation possibles. La spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) fournit des informations sur les états d'oxydation : Les quanta de rayons X ayant une énergie appropriée excitent les électrons des coquilles les plus internes, qui absorbent ces quanta. En fonction du degré d'oxydation, cette absorption peut être observée à différentes énergies d'excitation. L'équipe de Risch a construit une cellule d'électrolyse qui permet d'effectuer des mesures XAS pendant l'électrolyse.
La spectroscopie d'absorption des rayons X
"Avec la spectroscopie d'absorption des rayons X, nous pouvons non seulement déterminer les nombres d'oxydation, mais aussi observer les processus de corrosion ou les changements de phase dans le matériau", explique M. Risch. Combinées aux mesures électrochimiques, les données de mesure permettent ainsi de mieux comprendre le matériau pendant l'électrocatalyse. Toutefois, la haute intensité requise des rayons X n'est disponible que dans les sources modernes de rayonnement synchrotron. À Berlin, le HZB exploite BESSY II à cette fin. Il existe environ 50 sources de lumière de ce type pour la recherche dans le monde.
Des échelles de temps courtes à longues
Risch voit toujours un grand potentiel pour l'application de la spectroscopie d'absorption des rayons X, notamment en ce qui concerne les échelles de temps d'observation. En effet, les temps de mesure typiques sont de quelques minutes par mesure. Or, les réactions électrocatalytiques se déroulent sur des échelles de temps plus courtes. "Si nous pouvions observer l'électrocatalyse pendant qu'elle se produit, nous pourrions mieux comprendre les détails importants", explique M. Risch. Grâce à ces connaissances, des catalyseurs bon marché et respectueux de l'environnement pourraient être développés plus rapidement. D'autre part, de nombreux processus de "vieillissement" se déroulent en quelques semaines ou mois. "Nous pourrions, par exemple, examiner le même échantillon à intervalles réguliers pour comprendre ces processus", conseille Risch. Cela permettrait également de développer des électrocatalyseurs stables à long terme.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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