Modèles d'anodes pour la production d'hydrogène vert
Progression de la production d'H2 vert
Des chercheurs du département de la science des interfaces de l'Institut Fritz Haber de la société Max Planck ont mené des expériences en utilisant des modèles de précatalyseurs définis à l'échelle atomique pour dévoiler les détails complexes de la réaction électrocatalytique de séparation de l'eau, dans le but de faire progresser la production d'H2 vert.
Représentation schématique d'un électrolyseur à anode cristalline
© FHI
Le changement climatique en cours constitue une menace sérieuse pour l'humanité, affectant la vie de chacun et nécessitant des mesures pour mettre en œuvre une économie énergétique plus durable. La production d'énergie "verte" est un ingrédient crucial. Toutefois, la production d'énergie doit s'accompagner de méthodes de stockage et de transport économiques. L'hydrogène "vert" (H2) sert à la fois de moyen de stockage et de transport, même lorsqu'il est converti en d'autres produits industriels utiles ou en vecteurs énergétiques tels que l'ammoniac. Il peut être produit par électrolyse en décomposant les molécules d'eau avec de l'énergie électrique "verte". Dans la cellule électrocatalytique, l'hydrogène moléculaire est généré à la cathode, tandis que l'anode produit de l'oxygène moléculaire (O2).
La production d'O2 à l'anode est un processus complexe en plusieurs étapes, ce qui rend difficile la conception d'anodes efficaces sur le plan énergétique. C'est pourquoi la plupart des recherches sur la séparation de l'eau se concentrent sur l'anode plutôt que sur la cathode. Dans les électrolyseurs réels, les anodes possèdent des compositions chimiques et des morphologies complexes, ce qui entrave la compréhension fondamentale des processus d'électrolyse, pourtant indispensable à leur optimisation ultérieure. Les données pertinentes peuvent être difficiles à trouver, un peu comme une aiguille dans une botte de foin. Pour remédier à ce problème, les scientifiques du département de la science des interfaces de l'Institut fédéral de la santé ont mis en œuvre une approche expérimentale consistant à remplacer l'anode complexe par un modèle plus simple de système pré-catalytique.
Dans cette approche, le pré-catalyseur de l'anode est un film d'oxyde mince cristallin bien défini, permettant des variations contrôlées de sa composition et de sa structure initiales. Pour garantir la pureté, les anodes sont préparées dans des conditions de vide très poussé, et toutes les études ultérieures sont menées dans le même système de caractérisation expérimentale, sans exposer les échantillons à l'air ambiant. Cette méthodologie rigoureuse protège l'anode de la contamination tout au long de l'expérience, évitant ainsi tout effet négatif sur les données expérimentales. Connaître les propriétés de l'anode dans les moindres détails est un aspect central de la méthode. L'objectif principal est d'étudier les aspects centraux de la catalyse de la séparation de l'eau, y compris les détails microscopiques mécanistiques de la réaction de formation de l'O2, les sites actifs, le vieillissement de l'électrode et le rôle de la structure et de la composition de la surface de l'anode pour la performance de la séparation de l'eau. Plus précisément, il est bien connu dans la littérature qu'une couche d'oxyhydroxyde se forme à la surface du catalyseur dans des conditions opératoires, mais les caractéristiques de cette couche et la structure, l'épaisseur et la composition optimales sont encore inconnues. Il est cependant reconnu qu'une transformation structurelle unificatrice a lieu pendant la production d'O2, quelle que soit la structure initiale du pré-catalyseur. D'autre part, et comme cela est décrit dans la présente contribution, les caractéristiques spécifiques de l'anode précatalytique déterminent la transformation qui a lieu pendant le fonctionnement et, en fin de compte, l'activité et la stabilité à long terme de l'électrocatalyseur.
Il est bien connu que l'ajout de fer aux anodes d'oxyde de cobalt améliore considérablement leurs performances, bien que le mécanisme sous-jacent soit encore en discussion. Il est essentiel de bien comprendre le rôle spécifique de l'ajout de fer pour optimiser les processus de séparation de l'eau. Pour atteindre cet objectif, nous avons mené une étude sur les anodes d'oxyde mixte cristallin en couche mince, en explorant différents rapports Co:Fe. La structure plane et bien définie de l'anode nous a permis d'établir une relation quantitative entre la composition de l'oxyde, la structure et la performance de la formation d'O2, rendant évident l'effet bénéfique de l'ajout de fer. Les études de stabilité ont en outre révélé des améliorations de performance attribuées à la dissolution du fer, faisant finalement converger le catalyseur vers une anode stable et hautement active.
L'étude aborde deux aspects pertinents de la technologie de séparation de l'eau, en se concentrant sur la minimisation des coûts associés à la fabrication et au fonctionnement de l'électrolyseur. Il est essentiel de maintenir ces coûts à un faible niveau en s'orientant vers des conditions de réaction alcaline et des matériaux terrestres abondants pour la mise en œuvre à grande échelle d'une économie énergétiquebasée sur l'H2. La technologie actuelle des électrolyseurs utilise des métaux rares, de l'iridium et du platine pour une électrolyse efficace sur le plan énergétique. Le remplacement de ces métaux coûteux par des oxydes à base de cobalt et de fer, moins chers, réduirait le coût global de la séparation de l'eau, ce qui augmenterait l'attrait économique de ce processus. L'efficacité électrique est un autre facteur de coût crucial, qui dépend de la composition chimique et de la morphologie de l'électrode. Cette étude vise à améliorer notre compréhension des relations structure-réactivité pour une conception rationnelle de l'électrocatalyseur.
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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