Un laboratoire du Rice met au point des catalyseurs de séparation de l'eau
Les ingénieurs mettent au point des dispositifs stables qui ne nécessitent pas d'iridium coûteux.
Créer une économie de l'hydrogène n'est pas une mince affaire, mais les ingénieurs de la Rice University ont découvert une méthode qui pourrait rendre plus économique et plus pratique la catalyse de l'évolution de l'oxygène dans les acides, l'un des sujets les plus difficiles de l'électrolyse de l'eau pour la production de carburants propres à base d'hydrogène.
Zhen-Yu Wu, associé postdoctoral de l'université Rice, à gauche, et Feng-Yang Chen, étudiant diplômé, sont les co-auteurs principaux d'une étude qui a présenté le ruthénium dopé au nickel comme un candidat pour remplacer l'iridium, coûteux, dans les catalyseurs d'anode qui séparent l'eau en hydrogène et en oxygène.
Jeff Fitlow/Rice University
Le laboratoire de Haotian Wang, ingénieur chimiste et biomoléculaire à la George R. Brown School of Engineering de l'université Rice, a remplacé l'iridium, rare et coûteux, par le ruthénium, un métal précieux beaucoup plus abondant, comme catalyseur de l'électrode positive dans un réacteur qui sépare l'eau en hydrogène et en oxygène.
L'addition réussie de nickel au dioxyde de ruthénium (RuO2) par le laboratoire a permis d'obtenir un catalyseur anodique robuste qui a produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau pendant des milliers d'heures dans des conditions ambiantes.
"L'hydrogène propre suscite un intérêt considérable dans l'industrie", a déclaré M. Wang. "C'est un vecteur énergétique important et également important pour la fabrication de produits chimiques, mais sa production actuelle contribue à une part importante des émissions de carbone dans le secteur de la fabrication de produits chimiques au niveau mondial. Nous voulons le produire d'une manière plus durable, et la séparation de l'eau à l'aide d'électricité propre est largement reconnue comme l'option la plus prometteuse."
L'iridium coûte environ huit fois plus cher que le ruthénium, a-t-il ajouté, et il pourrait représenter de 20 à 40 % des dépenses liées à la fabrication de dispositifs commerciaux, en particulier dans les futurs déploiements à grande échelle.
Le processus mis au point par Wang, Zhen-Yu Wu, associé postdoctoral de Rice, et Feng-Yang Chen, étudiant diplômé, ainsi que par des collègues de l'université de Pittsburgh et de l'université de Virginie est détaillé dans Nature Materials.
Le fractionnement de l'eau implique les réactions d'évolution de l'oxygène et de l'hydrogène par lesquelles des catalyseurs polarisés réarrangent les molécules d'eau pour libérer de l'oxygène et de l'hydrogène. "L'hydrogène est produit par la cathode, qui est une électrode négative", a déclaré Wu. "En même temps, elle doit équilibrer la charge en oxydant l'eau pour générer de l'oxygène du côté de l'anode".
"La cathode est très stable et ne pose pas de gros problème, mais l'anode est plus sujette à la corrosion lorsqu'elle utilise un électrolyte acide", a déclaré Chen. "Les métaux de transition couramment utilisés, comme le manganèse, le fer, le nickel et le cobalt, sont oxydés et se dissolvent dans l'électrolyte.
"C'est pourquoi le seul matériau pratique utilisé dans les électrolyseurs d'eau commerciaux à membrane échangeuse de protons est l'iridium", a-t-il ajouté. "Il est stable pendant des dizaines de milliers d'heures, mais il est très cher".
Se lançant dans la recherche d'une solution de remplacement, le laboratoire de Wang a opté pour le dioxyde de ruthénium, dont l'activité est connue, et l'a dopé au nickel, l'un des métaux testés.
Les chercheurs ont démontré que des nanoparticules de RuO2 ultra-petites et hautement cristallines dopées au nickel, utilisées à l'anode, facilitaient le fractionnement de l'eau pendant plus de 1 000 heures à une densité de courant de 200 milliampères par centimètre carré, avec une dégradation négligeable.
Ils ont testé leurs anodes contre d'autres en dioxyde de ruthénium pur qui ont catalysé l'électrolyse de l'eau pendant quelques centaines d'heures avant de commencer à se dégrader.
Le laboratoire s'efforce d'améliorer son catalyseur au ruthénium pour l'intégrer dans les processus industriels actuels. "Maintenant que nous avons atteint cette étape de stabilité, notre défi est d'augmenter la densité de courant d'au moins cinq à dix fois tout en maintenant ce type de stabilité", a déclaré Wang. "C'est très difficile, mais encore possible".
Il considère que le besoin est urgent. "La production annuelle d'iridium ne nous aidera pas à produire la quantité d'hydrogène dont nous avons besoin aujourd'hui", a déclaré Wang. "Même en utilisant tout l'iridium produit au niveau mondial, nous ne pourrons tout simplement pas générer la quantité d'hydrogène dont nous aurons besoin si nous voulons qu'il soit produit par électrolyse de l'eau".
"Cela signifie que nous ne pouvons pas compter entièrement sur l'iridium", a-t-il ajouté. "Nous devons développer de nouveaux catalyseurs pour soit réduire son utilisation, soit l'éliminer complètement du processus".
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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