Hydrogène vert : amélioration de la stabilité des catalyseurs à l'iridium avec des oxydes de titane
Grande pertinence pour l'utilisation pratique
Les anodes pour la séparation électrolytique de l'eau sont généralement des matériaux à base d'iridium. Afin d'accroître la stabilité du catalyseur à base d'iridium, une équipe de HZB et un groupe de HI-ERN ont maintenant produit une bibliothèque de matériaux : un échantillon dans lequel la concentration d'oxydes d'iridium et de titane est systématiquement modifiée. Les analyses des différents segments de l'échantillon à BESSY II dans le laboratoire EMIL ont montré que la présence d'oxydes de titane peut augmenter considérablement la stabilité du catalyseur à l'iridium.
Les atomes d'iridium (en rouge) sont intégrés dans différents oxydes de titane, ce qui leur confère une plus grande stabilité.
© Marianne van der Merwe
L'iridium comme catalyseur pour l'hydrogène vert
La production d'hydrogène "vert" par électrolyse est l'une des possibilités de stockage de l'énergie solaire ou éolienne. L'hydrogène stocke l'énergie sous forme chimique et la restitue lorsqu'il est brûlé, ne produisant pas de gaz d'échappement, mais uniquement de l'eau. Aujourd'hui, l'iridium est le catalyseur de pointe pour cette réaction. Toutefois, l'iridium se dissout de plus en plus dans l'environnement acide de la cellule d'électrolyse, de sorte que l'effet catalytique s'estompe rapidement.
"Nous avons voulu étudier si la stabilité du catalyseur pouvait être améliorée en ajoutant différentes proportions d'oxyde de titane", explique le professeur Marcus Bär (HZB). Bien que l'oxyde de titane ne soit pas actif sur le plan catalytique, il est très stable. "Nous avions quelques indications que la présence d'oxyde de titane aurait un effet positif sur la stabilité sans influencer l'effet catalytique de l'iridium. Mais nous voulions aussi savoir s'il existait un rapport de mélange idéal".
L'échantillon comme bibliothèque de matériaux
L'échantillon a été produit à l'Institut Helmholtz d'Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables (HI-ERN) par l'équipe du professeur Olga Kasian en pulvérisant du titane et de l'iridium dont la composition varie localement. Il s'agit d'une bibliothèque de matériaux en couches minces dans laquelle la teneur en iridium varie de 20 % à 70 %
À BESSY II, l'équipe a utilisé des méthodes de spectroscopie à rayons X pour analyser la façon dont la structure chimique change en fonction de la teneur en iridium des échantillons d'oxyde mixte d'iridium et de titane. Plusieurs effets ont joué un rôle à cet égard : par exemple, la présence de sous-oxydes de titane (tels que TiO et TiOx) a amélioré la conductivité du matériau. Un autre résultat intéressant est que certains oxydes de titane se dissolvent plus rapidement dans l'électrolyte aqueux que l'iridium, créant ainsi des micropores à la surface. Cela favorise la réaction d'évolution de l'oxygène car davantage d'atomes d'iridium des couches inférieures entrent en contact avec l'électrolyte.
L'effet principal, cependant, est que les oxydes de titane (TiO2, ainsi que TiO et TiOx) réduisent considérablement la dissolution de l'iridium. "Dans l'échantillon additionné de 30 % de titane par rapport à un matériau d'électrode en iridium pur, nous avons constaté une résolution de l'iridium inférieure d'environ 70 %", explique Marianne van der Merwe, qui a effectué les mesures dans le cadre de son doctorat avec Marcus Bär.
Une grande pertinence pour l'utilisation pratique
Mais quelle est la pertinence de tels résultats de la recherche en laboratoire pour l'industrie ? "S'il existe déjà des technologies établies, il est toujours difficile de changer quoi que ce soit au début", explique Marcus Bär. "Mais ici, nous montrons comment la stabilité des anodes peut être améliorée de manière significative avec un effort raisonnable.
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.
Publication originale
Marianne van der Merwe, Raul Garcia-Diez, Leopold Lahn, R. Enggar Wibowo, Johannes Frisch, Mihaela Gorgoi, Wanli Yang, Shigenori Ueda, Regan G. Wilks, Olga Kasian, Marcus Bär; "The Chemical and Electronic Properties of Stability-Enhanced, Mixed Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts"; ACS Catalysis, Volume 13, 2023-11-15
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