Découverte d'un procédé de fractionnement de l'eau à haut rendement
La réaction d'un grand intérêt pour les innovations en matière d'énergie propre est analysée de près dans une étude aux rayons X
Des expériences menées aux sources de lumière PETRA III et FLASH de DESY ont révélé le mode d'action complexe qui sous-tend le fractionnement artificiel de l'eau à son niveau le plus efficace. À l'aide de rayons X, une équipe dirigée par Simone Techert, scientifique principale du DESY, a réussi à observer l'interaction de l'eau avec une pérovskite, une classe de minéraux qui présente un intérêt pour de nombreux nouveaux matériaux et qui est bien connue comme catalyseur pour la décomposition des molécules d'eau en molécules d'hydrogène et d'oxygène. Cette observation et cette analyse peuvent contribuer à améliorer encore le processus, qui peut être utilisé pour la production efficace et propre d'hydrogène et d'oxygène dits "verts" pour les piles à combustible et les technologies de batteries améliorées, entre autres utilisations potentielles, notamment dans l'industrie chimique. Ces recherches ont été publiées dans la revue Accounts of Chemical Research.
La pérovskite LSMO, que l'on voit ici dans une autre expérience intégrée à une cellule solaire, peut catalyser le fractionnement de l'eau à des rendements élevés. Cela contribue au développement de ce que l'on appelle "l'hydrogène vert" et "l'oxygène vert". L'équipe de recherche a utilisé la spectroscopie aux rayons X pour observer l'interaction entre le LSMO et l'eau afin de mieux comprendre comment améliorer son efficacité.
DESY, Gesine Born
La séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène gazeux est une tâche difficile. En particulier, la formation des molécules d'oxygène requiert de grandes quantités d'énergie, car leur développement nécessite plus d'étapes intermédiaires que celui de l'hydrogène. L'électrolyse, la méthode la plus courante de séparation des molécules d'eau à l'aide d'une électrode, a toujours eu l'inconvénient de nécessiter des quantités d'énergie comparables. L'oxygène s'accroche très fortement à l'hydrogène de l'eau et, en raison de sa réactivité, a tendance à former des oxydes intermédiaires qui absorbent une grande partie de cette énergie avant d'être libérés sous forme de gaz. Dans les cellules des plantes et d'autres organismes qui pratiquent la photosynthèse, des systèmes importants et compliqués sont consacrés à la décomposition des molécules d'eau dans le processus de fabrication des molécules de glucose (au lieu de l'hydrogène comme combustible). Les composants de décomposition de l'eau dans les systèmes biologiques sont les plus efficaces connus, bien que leurs fonctions exactes soient difficiles à déchiffrer. Ils présentent un intérêt pour le stockage de l'énergie, en l'occurrence la production d'hydrogène vert et aussi d'oxygène, qui fait appel à des procédés peu ou pas polluants.
Une classe de minéraux de forme cubique appelés pérovskites a été remarquée pour sa capacité à faire baisser de façon spectaculaire l'énergie de l'électrolyse dans des conditions ambiantes. "Les pérovskites que nous utilisons s'écartent dans leur activité catalytique de ce que l'on attend", explique M. Techert. "Nous voulions savoir exactement pourquoi elles sont aussi efficaces".
L'équipe de Techert a utilisé la spectroscopie par rayons X mous pour suivre la réaction pendant qu'elle se déroule. La pérovskite qui les intéresse est elle-même générée artificiellement : Appelée LSMO, elle contient des atomes de lanthane et de strontium dans une structure cristalline d'oxyde de manganèse.
"Les pérovskites sont très utiles parce qu'il est relativement facile de remplacer systématiquement les atomes fonctionnels qu'elles contiennent", explique Marcel Risch, expert des pérovskites et de leur utilisation dans la production d'hydrogène vert au Helmholtz-Zentrum de Berlin.
L'équipe a utilisé une chambre de réaction spéciale pour surveiller le mouvement des électrons entre les molécules d'eau et la pérovskite pendant une réaction d'électrolyse. La chambre, appelée ChemRIXS, a été mise au point à DESY pour les lasers à électrons libres tels que FLASH, mais elle peut également s'interfacer avec des sources de lumière synchrotron telles que PETRA III. L'équipe a utilisé les deux installations pour collecter ses données. Avec ChemRIXS, les chercheurs peuvent combiner des environnements chimiques complexes avec une technique appelée diffusion inélastique résonante de rayons X mous qui révèle le mouvement des électrons - l'élément fondamental des réactions chimiques.
Dans cette réaction d'électrolyse particulière catalysée par la pérovskite LSMO, l'équipe a pu suivre la réaction à la surface du catalyseur. Les résultats ont montré que le manganèse du LSMO est maintenu à une charge positive très élevée par les autres atomes du cristal, ce qui lui permet d'attirer l'oxygène loin des hydrogènes de la molécule d'eau pendant la réaction. Cela a permis aux deux électrodes utilisées dans l'électrolyse de produire à la fois de l'hydrogène et de l'oxygène avec beaucoup moins d'énergie. Au lieu de former des oxydes qui absorbent de grandes quantités d'énergie de réaction, l'oxygène est attiré par le manganèse dans le LSMO. Le manganèse change d'attrait au cours de la réaction, ce qui permet à l'oxygène de se lier à lui-même et de former un gaz à une énergie moindre que si des oxydes s'étaient formés.
"En raison de ses propriétés matérielles, le LSMO est l'un des matériaux d'électrode privilégiés pour produire de l'oxygène dans le processus de division de l'eau", explique M. Techert. "La production d'oxygène est une réaction en quatre étapes, ce qui est délicat à réaliser lorsqu'on vise une faible consommation d'énergie pour cette réaction. Dans les expériences, nous avons pu observer les intermédiaires formés sur la surface du LSMO avec l'eau avant la formation de l'oxygène - cette connaissance peut aider à rendre un processus déjà efficace encore plus efficace si nous pouvons envisager certaines modifications matérielles définies."
Pour travailler sur l'efficacité du processus de formation de l'oxygène, l'équipe a dissous de l'hydroxyde de potassium dans l'eau. Au-delà de fournir des conditions plus réelles dans le laboratoire, l'équipe a constaté que l'eau plus alcaline aide la réaction d'électrolyse à progresser plus efficacement en fournissant des ions libres.
"Il s'agit d'une recherche pionnière, qui nous permet de voir ce qui est possible", explique M. Risch. L'équipe examinera dans de futures expériences, avec les mêmes méthodes, la dynamique des processus de l'hydrogène et de l'oxygène.
Des scientifiques de DESY, de l'Université de Göttingen et du Helmholtz-Zentrum Berlin en Allemagne, ainsi que de l'Institut Paul Scherrer et de la société XRnanotech en Suisse ont participé à cette recherche.
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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