Les cubes sont plus performants que les sphères comme particules catalytiques
La forme des nanoparticules est un facteur déterminant de leur efficacité en tant que catalyseurs pour la production d'hydrogène vert
Jusqu'à présent, les nanoparticules utilisées comme catalyseurs pour l'hydrogène vert étaient comme des rameurs dans un huit : les chercheurs ne pouvaient que mesurer leur performance moyenne, mais ne pouvaient pas déterminer laquelle était la meilleure. Cela vient de changer grâce à la mise au point d'une nouvelle méthode par le groupe dirigé par le professeur Kristina Tschulik, responsable de la chaire d'électrochimie et de matériaux à l'échelle nanométrique de l'université Ruhr de Bochum, en Allemagne. En collaboration avec des chercheurs de l'université de Duisburg-Essen, elle a réussi à prouver que les nanoparticules d'oxyde de cobalt de forme cubique sont plus efficaces que celles de forme sphérique. Cela ouvre la voie à la conception systématique de catalyseurs rentables et efficaces pour l'hydrogène vert. Les chercheurs publient leur rapport dans la revue Advanced Functional Materials du 3 janvier 2023.
Kristina Tschulik (à gauche) et Hatem Amin étudient les nanoparticules comme catalyseurs pour l'hydrogène vert.
© RUB, Marquard
Comment rendre l'électrolyse compétitive
Le monde doit réduire les émissions deCO2 afin de lutter contre le changement climatique. À cette fin, on utilise aujourd'hui largement l'hydrogène dit "gris", obtenu à partir du pétrole et du gaz naturel, tandis que des efforts sont faits pour le remplacer par de l'hydrogène vert, qui provient de sources renouvelables. L'hydrogène vert peut être produit par électrolyse, un processus dans lequel l'électricité est utilisée pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Cependant, plusieurs défis doivent encore être relevés pour faire de l'électrolyse une approche compétitive. À l'heure actuelle, le processus de division de l'eau n'est efficace que dans une certaine mesure, et il n'existe pas suffisamment de catalyseurs puissants, durables et rentables. "Actuellement, les électrocatalyseurs les plus actifs sont basés sur les métaux précieux rares et coûteux que sont l'iridium, le ruthénium et le platine", énumère Kristina Tschulik. "En tant que chercheurs, notre travail consiste donc à développer de nouveaux électrocatalyseurs très actifs, exempts de métaux précieux."
Son groupe de recherche étudie des catalyseurs sous forme de nanoparticules d'oxyde de métal de base, un million de fois plus petites qu'un cheveu humain. Fabriquées à l'échelle industrielle, elles varient en forme, en taille et en composition chimique. "Nous utilisons les mesures pour examiner ce que l'on appelle les encres catalytiques, dans lesquelles des milliards de particules sont mélangées à des liants et des additifs", explique Kristina Tschulik. Cette méthode ne permet aux chercheurs que de mesurer une performance moyenne, mais pas l'activité de chaque particule - ce qui importe vraiment. "Si nous savions quelle forme de particule ou quelle facette de cristal - les surfaces qui pointent vers l'extérieur - est la plus active, nous pourrions produire spécifiquement des particules ayant cette forme exacte", explique Hatem Amin, chercheur postdoctoral en chimie analytique à l'université de la Ruhr à Bochum.
Vainqueur de la course aux nanoparticules
Le groupe de recherche a mis au point une méthode pour analyser les particules individuelles directement en solution. Cela leur permet de comparer l'activité de différents nanomatériaux entre eux afin de comprendre l'influence des propriétés des particules, telles que leur forme et leur composition, sur la division de l'eau. "Nos résultats indiquent que les particules d'oxyde de cobalt sous forme de cubes individuels sont plus actives que les sphères, car ces dernières ont toujours plusieurs autres facettes moins actives."
La théorie confirme l'expérience
Les résultats expérimentaux du groupe de Bochum ont été confirmés par ses partenaires de coopération dirigés par le professeur Rossitza Pentcheva de l'université de Duisburg-Essen dans le cadre du Centre de recherche collaborative/Transregio 247. Les analyses théoriques de cette dernière indiquent un changement dans les régions actives du catalyseur, à savoir le passage d'atomes de cobalt entourés d'atomes d'oxygène formant un octaèdre à des atomes de cobalt entourés d'un tétraèdre. "Nos connaissances sur la corrélation entre la forme et l'activité des particules jettent les bases d'une conception fondée sur la connaissance de matériaux catalytiques viables et, par conséquent, de la transformation de nos industries chimiques et énergétiques fossiles vers une économie circulaire basée sur des sources d'énergie renouvelables et des catalyseurs hautement actifs et durables", conclut Kristina Tschulik.
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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