Un électrocatalyseur durable et peu coûteux produit de l'hydrogène et de l'oxygène propres à partir de l'eau
L'hydrogène est un gaz hautement combustible qui peut aider le monde à atteindre ses objectifs en matière d'énergie propre s'il est fabriqué dans le respect de l'environnement. Le principal obstacle à la création d'hydrogène gazeux à partir de l'eau est la grande quantité d'énergie nécessaire à l'électrolyse de l'eau, c'est-à-dire à la division des molécules d'eau en hydrogène gazeux (H2) et en oxygène (O2). Un nouvel électrocatalyseur composé de nickel (Ni), de fer (Fe) et de silicium (Si), qui réduit la quantité d'énergie nécessaire pour synthétiser l'H2 à partir de l'eau, a été fabriqué de manière simple et rentable, ce qui accroît l'utilité de l'H2 en tant qu'énergie propre et renouvelable de l'avenir.
La magadiite, argile naturelle contenant du silicium (Si), a été chauffée dans un récipient scellé dans une solution à base d'eau contenant du chlorure de fer (FeCl3) et du chlorure de nickel (NiCl2) pour créer un silicate métallique composé de nickel (Ni), de fer (Fe) et de Si. Le silicate métallique a ensuite été réduit en ajoutant des électrons aux atomes de silicate métallique avec du magnésium, du sel et de la chaleur pour créer une structure de siliciure intermétallique (siliciure de fer-nickel) plus organisée. Le graphique illustre la tension plus faible requise pour que l'électrocatalyseur en alliage de siliciure de fer-nickel (FeNiSi) produise de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux par rapport aux alliages NiSi et FeSi.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
La plupart de l'H2 produit aujourd'hui est dérivé de combustibles fossiles, ce qui contribue au réchauffement de la planète. La fabrication d'H2 à partir de l'eau par la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) nécessite l'utilisation d'un catalyseur, c'est-à-dire d'un agent qui réduit la quantité d'énergie nécessaire à une réaction chimique. Jusqu'à récemment, ces catalyseurs étaient constitués de métaux des terres rares, comme le platine, ce qui réduisait la rentabilité et la praticité de la production d'hydrogène propre. Un groupe de spécialistes des matériaux de l'université technologique de Dalian, en Chine, a fabriqué un électrocatalyseur, c'est-à-dire un catalyseur qui utilise l'électricité, à l'aide de matériaux et de méthodes peu coûteux, afin de réduire efficacement l'énergie nécessaire à la production d'hydrogène propre à partir de l'eau. Fait important, l'alliage ou le mélange de siliciure de fer et de nickel (FeNiSi) réduit également l'énergie nécessaire pour produire de l'O2 à partir de l'eau, ce qui rend le catalyseur bifonctionnel.
Les chercheurs ont publié leur étude dans Nano Research Energy le 3 novembre 2023.
"Ce qui limite réellement le développement et l'application pratique de la technologie de l'électrolyse de l'eau, ce sont les matériaux électrocatalytiques. À l'heure actuelle, les catalyseurs courants, tels que les métaux précieux..., sont pour la plupart des catalyseurs à fonction unique, ce qui limite l'application pratique de l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène. C'est pourquoi la recherche et le développement de matériaux électrocatalytiques bifonctionnels efficaces, stables, bon marché et respectueux de l'environnement constituent un objectif primordial dans le domaine de l'électrocatalyse", a déclaré Yifu Zhang, auteur principal de l'étude et chercheur à l'école de chimie de l'université de technologie de Dalian.
Les alliages de siliciures de métaux de transition sont des composés uniques qui sont couramment utilisés dans les domaines liés à l'énergie, sont produits à bon marché et sont prometteurs en tant qu'électrocatalyseurs potentiels pour l'hydrolyse de l'eau. Ces alliages sont fabriqués à partir de métaux de transition, d'excellents catalyseurs qui donnent et acceptent librement des électrons dans les réactions chimiques, et d'atomes de Si, qui améliorent la stabilité, la résistance à la chaleur et l'accessibilité des atomes des métaux de transition alliés lorsqu'ils sont soumis à l'électricité.
Le Fe et le Ni, deux métaux de transition, se prêtent bien à une utilisation dans un siliciure de métaux de transition pour la séparation de l'eau. "Le siliciure de nickel a fait l'objet d'études approfondies en raison de sa faible résistance et de sa forte activité métallique, en particulier dans les domaines électrochimiques. En outre, de nombreuses études récentes ont montré que les matériaux à base de Fe-Ni ont un potentiel considérable dans le domaine de la séparation électrochimique de l'eau. L'objectif de ce travail était de mettre au point une méthode peu coûteuse et respectueuse de l'environnement pour préparer le siliciure de fer et de nickel en tant que catalyseur bifonctionnel de l'eau électrolytique (EWS)", a déclaré Zhang.
L'équipe de recherche a fabriqué le FeNiSi en deux étapes. Tout d'abord, la magadiite, une argile naturelle source de silicium, le chlorure de fer et le chlorure de nickel ont été chauffés sous pression pour créer un silicate de fer et de nickel. Le silicate de fer-nickel a ensuite été combiné et chauffé avec du magnésium et du chlorure de sodium (sel de table) pour développer la structure ordonnée de l'alliage FeNiSi. Il est important de noter que c'est la première fois qu'un alliage de siliciure métallique est fabriqué à l'aide de ce type de réaction chimique utilisant des silicates métalliques comme matériau de réaction.
Les techniques de microscopie électronique et de caractérisation aux rayons X ont révélé que le processus de fabrication a créé de nombreuses structures poreuses dans l'alliage FeNiSi final, augmentant ainsi sa surface et ses performances électrocatalytiques globales. L'alliage FeNiSi abaisse le potentiel requis pour séparer l'oxygène et l'hydrogène de l'eau de 308 mV pour la réaction de dégagement de l'oxygène (OER) et de 386 mV pour l'HER, respectivement, à un courant de 10 mA-cm-2. L'électrocatalyseur a également démontré une durabilité suffisante après 15 heures d'utilisation.
L'équipe de recherche espère que le FeNiSi et d'autres silicates de métaux de transition contribueront à la synthèse d'hydrogène propre pour répondre aux besoins énergétiques futurs. "Ce travail fournit non seulement une méthode facile pour la synthèse de siliciure intermétallique avec des structures poreuses considérables, mais permet également de considérer le siliciure intermétallique comme un électrocatalyseur bifonctionnel pour l'EWS. Des électrocatalyseurs à base de siliciure intermétallique efficaces et peu coûteux offriront de nouvelles possibilités pour la conversion des énergies renouvelables", a déclaré M. Zhang.
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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