Hydrogène vert : les MXènes se révèlent des catalyseurs de l'évolution de l'oxygène
Les catalyseurs à base de MXènes sont plus stables et plus efficaces que les catalyseurs conventionnels : des recherches en révèlent aujourd'hui les raisons
La classe des matériaux MXène possède de nombreux talents. Une équipe internationale dirigée par Michelle Browne, chimiste au HZB, vient de démontrer que les MXènes, correctement fonctionnalisés, sont d'excellents catalyseurs pour la réaction de dégagement de l'oxygène dans la séparation électrolytique de l'eau. Ils sont plus stables et plus efficaces que les meilleurs catalyseurs à base d'oxyde métallique actuellement disponibles. L'équipe procède actuellement à une caractérisation approfondie de ces catalyseurs à base de MXène pour la séparation de l'eau à la source de rayons X de Berlin BESSY II et au synchrotron Soleil en France.
L'hydrogène vert est considéré comme l'une des solutions de stockage d'énergie du futur. Ce gaz peut être produit de manière neutre sur le plan climatique en utilisant de l'électricité solaire ou éolienne par fractionnement électrolytique de l'eau. Alors que des molécules d'hydrogène sont produites à une électrode, des molécules d'oxygène sont formées à l'autre. Cette réaction d'évolution de l'oxygène (OER) est l'un des facteurs limitants de l'électrolyse. Des catalyseurs spéciaux sont nécessaires pour faciliter cette réaction. Parmi les meilleurs candidats pour les catalyseurs OER figurent, par exemple, les oxydes de nickel, qui sont peu coûteux et largement disponibles. Cependant, ils se corrodent rapidement dans l'eau alcaline d'un électrolyseur et leur conductivité laisse également à désirer. Cela empêche actuellement le développement d'électrolyseurs peu coûteux et très performants.
Les MXènes comme catalyseurs
Une nouvelle classe de matériaux pourrait offrir une alternative : Les MXènes, des matériaux en couches composés de métaux, tels que le titane ou le vanadium, combinés à du carbone et/ou de l'azote. Ces MXènes ont une énorme surface interne qui peut être utilisée de manière fantastique, que ce soit pour stocker des charges ou comme catalyseurs.
Une équipe internationale dirigée par le Dr Michelle Browne a étudié l'utilisation des MXènes comme catalyseurs pour la réaction d'évolution de l'oxygène. Bastian Schmiedecke, étudiant en doctorat, a "fonctionnalisé" chimiquement les MXènes en amarrant des hydroxydes de cuivre et de cobalt à leur surface. Lors de tests préliminaires, les catalyseurs ainsi produits se sont révélés nettement plus efficaces que les composés d'oxyde métallique purs. De plus, les catalyseurs n'ont montré aucune dégradation et ont même amélioré leur efficacité en fonctionnement continu.
Mesures à BESSY II
Les mesures effectuées à la source de rayons X BESSY II, avec Namrata Sharma et Tristan Petit, ont montré pourquoi cette méthode fonctionne si bien : "Nous avons pu utiliser la ligne de faisceau Maxymus pour découvrir comment les surfaces extérieures des échantillons de MXène diffèrent de l'intérieur", explique M. Schmiedecke. Les chercheurs ont combiné la microscopie électronique à balayage (SEM/TEM), la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique des rayons X (XPS), la microscopie à transmission des rayons X (STXM) et la structure d'absorption des rayons X à proximité des arêtes (XANES) afin d'obtenir des informations supplémentaires sur le matériau.
Perspectives : observation sous charge continue
"Nous avons pu montrer que les MXènes ont un grand potentiel en tant que catalyseurs dans les électrolyseurs", explique Michelle Browne. La collaboration avec les équipes partenaires du Trinity College de Dublin (Irlande) et de l'Université de chimie et de technologie de Prague se poursuivra. Outre d'autres variations chimiques des catalyseurs à base de MXène, l'équipe prévoit également de tester ces catalyseurs dans des électrolyseurs conventionnels en fonctionnement continu.
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
Bastian Schmiedecke, Bing Wu, Thorsten Schultz, Aline Alencar Emerenciano, Namrata Sharma, Danielle A. Douglas-Henry, Apostolos Koutsioukis, Mehmet Turan Görüryılmaz, Valeria Nicolosi, Tristan Petit, Norbert Koch, Zdenek Sofer, Michelle P. Browne; "Enhancing the oxygen evolution reaction activity of CuCo based hydroxides with V2CTx MXene"; Journal of Materials Chemistry A, 2024
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