Nouveau catalyseur hybride pour la production propre d'oxygène
Cette approche innovante ouvre des perspectives intéressantes pour la conception de matériaux avancés destinés à la catalyse, à la détection et aux technologies de conversion de l'énergie solaire
Une équipe de recherche de l'Institut de chimie des matériaux de l'Université technique de Vienne, dirigée par le professeur Dominik Eder, a mis au point une nouvelle approche synthétique pour créer des matériaux hybrides durables, conducteurs et catalytiquement actifs pour la séparation (photo)électrocatalytique de l'eau.
Comparaison schématique de la réaction (photo)électrocatalytique et de la stabilité des structures zéolitiques d'imidazolate à ligand unique et à ligands mixtes
TU Wien
Catalyseurs à structure métallo-organique poreuse
Le développement de technologies pour les vecteurs énergétiques durables, tels que l'hydrogène, est essentiel. Un moyen prometteur de produire de l'hydrogène (H2) consiste à diviser l'eau enH2 et en oxygène (O2), soit par voie électrochimique, soit en utilisant la lumière, soit les deux - une voie suivie par l'équipe. Toutefois, ce processus nécessite un catalyseur qui accélère la réaction sans être consommé. Les critères clés d'un catalyseur sont une grande surface pour l'adsorption et la séparation des molécules d'eau, et une durabilité pour une utilisation à long terme.
Les cadres zéolitiques d'imidazolate (ZIF), une classe de matériaux hybrides organiques/inorganiques avec des interfaces moléculaires et de nombreux pores, offrent des surfaces record et de nombreux sites d'adsorption pour l'eau en tant que catalyseurs. Ils sont constitués d'ions métalliques simples, tels que les ions cobalt, qui sont reliés par des molécules organiques spécifiques, appelées ligands, au moyen de ce que l'on appelle des liaisons de coordination. Les ZIF conventionnels ne contiennent qu'un seul type de ligand organique. "Ces ZIFs manquent souvent de stabilité dans l'eau dans des conditions électrocatalytiques pour garantir une application à long terme. En outre, leur conductivité électronique plutôt faible limite également leur efficacité dans les applications électrocatalytiques", explique Dominik Eder.
Pour relever ces défis, l'équipe a mis au point un moyen de concevoir des ZIF en utilisant deux ligands organiques ou plus. "Nous devions veiller à mélanger les deux ligands de manière à créer une distribution uniforme dans la structure, tout en préservant la structure originale du ZIF", explique Zheao Huang, l'auteur principal de l'étude. L'équipe a donc étudié de manière approfondie une série de combinaisons de ligands et de paramètres de processus et a finalement pu identifier la paire de ligands la mieux adaptée.
Avantages synergiques de la combinaison de deux ligands organiques
Les auteurs ont constaté que cette modification avait considérablement amélioré la stabilité du ZIF, prolongeant sa durée de vie pendant la séparation électrocatalytique de l'eau de quelques minutes à au moins une journée. Grâce à des recherches approfondies utilisant un large éventail de techniques spectroscopiques et microscopiques expérimentales, étayées par une théorie computationnelle en collaboration avec la Central China Normal University, l'équipe a observé que le mélange précis des deux ligands renforçait de manière synergique la liaison de coordination avec le métal cobalt. Par conséquent, le cadre poreux ne s'est pas effondré au cours des essais (photo)électrocatalytiques. "Au contraire, nous avons observé qu'après seulement quelques minutes de réaction, un film très fin de quelques nanomètres, composé d'oxyhydroxyde de cobalt, s'est formé à la surface des nanoparticules de ZIF, ce qui a empêché toute dégradation et tout effondrement ultérieurs", explique Huang Zheao.
En outre, la combinaison des deux ligands a multiplié par dix la conductivité du matériau ZIF et, par conséquent, le taux de réaction de dégagement de l'oxygène (OER). "Les simulations ont révélé que les deux ligands interagissent de manière synergique, créant une forte densité de porteurs de charge mobiles dans l'ensemble du matériau", explique Dominik Eder, avant d'ajouter : "Bien que nous nous attendions à quelques améliorations avec cette nouvelle stratégie, nous avons été surpris par l'ampleur de l'augmentation des performances (photo)électrocatalytiques des ZIFs."
Perspectives d'avenir et applications plus larges
L'équipe explore à présent cette approche polyvalente pour d'autres ZIF ainsi que pour des cadres métallo-organiques (MOF) qui manquent également de stabilité et de conductivité dans des applications électrocatalytiques et (photo)électrocatalytiques. Cette approche innovante ouvre des perspectives passionnantes pour la conception de matériaux avancés pour la catalyse, la détection et les technologies de conversion de l'énergie solaire, nous rapprochant ainsi des applications du monde réel.
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
Zheao Huang, Zhouzhou Wang, Hannah Rabl, Shaghayegh Naghdi, Qiancheng Zhou, Sabine Schwarz, Dogukan Hazar Apaydin, Ying Yu, Dominik Eder; "Ligand engineering enhances (photo) electrocatalytic activity and stability of zeolitic imidazolate frameworks via in-situ surface reconstruction"; Nature Communications, Volume 15, 2024-10-30
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