Décryptage du mécanisme des catalyseurs à base de cobalt et de manganèse
La combinaison de différentes méthodes a été la clé du succès
Le vecteur énergétique qu'est l'hydrogène peut être obtenu à partir de l'eau par électrolyse. Cette méthode fonctionne particulièrement bien avec les électrocatalyseurs de type spinelle de cobalt contenant du manganèse. La raison n'en était toutefois pas claire.
Les catalyseurs conventionnels pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau contiennent généralement des métaux précieux et sont coûteux. Cependant, des alternatives moins coûteuses ont été développées, par exemple des catalyseurs à base de cobalt et de manganèse. Ils ont une activité élevée et sont stables sur une longue période. Le facteur décisif pour ces caractéristiques est leur teneur en manganèse. La raison pour laquelle le manganèse joue ce rôle essentiel est restée longtemps inconnue. Des chercheurs des institutions allemandes Ruhr University Bochum, Max Planck Institutes for Sustainable Materials and for Chemical Energy Conversion, Forschungszentrum Jülich et University of Duisburg-Essen viennent de décrypter le mécanisme sous-jacent. Ils présentent leurs résultats dans la revue Advanced Energy Materials du 7 octobre 2024.
La combinaison de différentes méthodes a été la clé du succès
L'application d'une tension électrique permet de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. L'étape limitante de cette réaction est l'évolution de l'oxygène. Les chercheurs sont donc à la recherche de catalyseurs optimaux pour cette étape de la réaction. Les électrocatalyseurs à base de cobalt présentant une certaine structure géométrique, appelée structure spinelle, sont normalement inefficaces et peu stables à long terme. Cette situation change lorsqu'ils sont dopés au manganèse.
L'équipe de recherche a utilisé diverses méthodes pour étudier ce qui se passe exactement à la surface des catalyseurs pendant l'électrolyse de l'eau. Ils ont travaillé ensemble au sein du Centre de recherche collaborative 247 "Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase" (catalyse d'oxydation hétérogène en phase liquide). "La collaboration avec plusieurs instituts nous a permis d'observer les processus à la surface des électrodes avec différentes méthodes, et cette combinaison a été la clé du succès", explique le professeur Tong Li, responsable de la caractérisation à l'échelle atomique à l'université de la Ruhr à Bochum. Elle est experte en tomographie par sonde atomique, une méthode qui permet de visualiser la distribution spatiale des matériaux, atome par atome. L'équipe a combiné cette méthode avec la microscopie électronique à transmission, l'absorption de la structure fine des rayons X et la spectroscopie de photoémission des rayons X.
Monter, descendre : Comme un passager dans un bus
Le groupe a montré que le manganèse se dissout de la surface du spinelle de cobalt au cours de la réaction et s'y redépose ensuite. "C'est comme un passager dans un bus qui ne cesse de monter et de descendre", explique Tong Li.
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
Biao He, Pouya Hosseini, Daniel Escalera‐López, Jonas Schulwitz, Olaf Rüdiger, Ulrich Hagemann, Markus Heidelmann, Serena DeBeer, Martin Muhler, Serhiy Cherevko, Kristina Tschulik, Tong Li; "Effects of Dynamic Surface Transformation on the Activity and Stability of Mixed Co‐Mn Cubic Spinel Oxides in the Oxygen Evolution Reaction in Alkaline Media"; Advanced Energy Materials, 2024-10-7
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