Moins, c'est plus : pourquoi un catalyseur économique à base d'iridium fonctionne si bien
Différents environnements chimiques explorés
Les catalyseurs à base d'iridium sont nécessaires pour produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Aujourd'hui, une équipe de HZB a montré que le nouveau catalyseur P2X, qui ne nécessite qu'un quart de l'iridium, est aussi efficace et stable dans le temps que le meilleur catalyseur commercial. Les mesures effectuées à BESSY II ont révélé comment l'environnement chimique particulier du catalyseur P2X pendant l'électrolyse favorise la réaction d'évolution de l'oxygène pendant la séparation de l'eau.
Deux nanocatalyseurs différents à base d'iridium pour l'électrolyse de l'eau ont été examinés par une équipe dirigée par le HZB : Un catalyseur commercial de référence (à gauche) et le nouveau catalyseur P2X (à droite), qui est plus amorphe et nécessite quatre fois moins d'iridium. Les données spectroélectrochimiques montrent comment les environnements chimiques spécifiques diffèrent dans les deux matériaux et comment ils influencent la réaction de transformation de l'oxygène.
© M. van der Merwe / HZB
À l'avenir, l'hydrogène sera nécessaire dans un système énergétique neutre sur le plan climatique pour stocker l'énergie, comme carburant et comme matière première pour l'industrie chimique. Idéalement, il devrait être produit d'une manière climatiquement neutre, en utilisant l'électricité générée par l'exploitation de l'énergie solaire ou éolienne, par le biais de l'électrolyse de l'eau. À cet égard, l'électrolyse de l'eau par membrane échangeuse de protons (PEM-WE) est actuellement considérée comme une technologie clé. Les deux électrodes sont recouvertes d'électrocatalyseurs spéciaux pour accélérer la réaction souhaitée. Les catalyseurs à base d'iridium sont les mieux adaptés à l'anode, où se produit la réaction lente d'évolution de l'oxygène. Cependant, l'iridium est l'un des éléments les plus rares sur terre, et l'un des principaux défis consiste à réduire de manière significative la demande de ce métal précieux. Une analyse approximative a montré que pour répondre à la demande mondiale d'hydrogène pour les transports en utilisant la technologie PEM-WE, les matériaux d'anode à base d'iridium ne devraient pas contenir plus de 0,05 mgIr/cm2. Le meilleur catalyseur actuellement disponible dans le commerce, fabriqué à partir d'oxyde d'iridium, contient environ 40 fois cette valeur cible.
Le catalyseur P2X a besoin de moins d'iridium
Mais de nouvelles options sont déjà en cours d'élaboration : Dans le cadre du projet Kopernikus P2X, le groupe Heraeus a mis au point un nouveau nanocatalyseur efficace à base d'iridium, constitué d'une fine couche d'oxyde d'iridium déposée sur un support nanostructuré de dioxyde de titane. Le "catalyseur P2X" ne nécessite qu'une quantité extrêmement faible d'iridium, ce qui réduit considérablement la charge en métaux précieux (quatre fois moins que dans le meilleur matériau commercial actuel).
Une équipe de HZB dirigée par le Dr Raul Garcia-Diez et le Prof. Dr.-Ing. Marcus Bär, ainsi que des collègues du synchrotron ALBA à Barcelone, ont étudié le catalyseur P2X, qui montre une stabilité remarquable même en fonctionnement à long terme, et ont comparé sa signature catalytique et spectroscopique avec le catalyseur cristallin commercial de référence.
Mesures Operando à BESSY II
L'équipe de HZB a étudié en profondeur le catalyseur commercial de référence ainsi que le catalyseur P2X à BESSY II pendant l'électrolyse de l'eau( mesuresoperando ). "Nous voulions observer comment les deux matériaux catalytiques différents changent structurellement et électroniquement pendant la réaction électrochimique de dégagement d'oxygène en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) operando Ir L3-edge", explique Marianne van der Merwe, une chercheuse de l'équipe de Bär. Les chercheurs ont également mis au point un nouveau protocole expérimental pour s'assurer que les résultats sont mesurés dans les deux échantillons avec exactement le même taux de production d'oxygène. Cela a permis de comparer les deux catalyseurs dans des conditions équivalentes.
Différents environnements chimiques explorés
"Les données de mesure nous ont permis de conclure que les mécanismes de production d'oxygène dans les deux catégories de catalyseurs à base d'oxyde d'iridium sont différents, et que cela est dû aux différents environnements chimiques des deux matériaux", explique M. van der Merwe. Les données de mesure montrent également pourquoi le catalyseur P2X est encore plus performant que sa référence plus cristalline : dans l'échantillon P2X, les longueurs de liaison entre l'iridium et l'oxygène diminuent beaucoup plus que dans le catalyseur de référence à des potentiels pertinents pour l'OER. Cette réduction des longueurs de liaison Ir-O peut être associée à la participation d'environnements défectueux qui sont proposés comme des acteurs clés dans les voies hautement actives de la réaction de dégagement de l'oxygène.
"En outre, les observations de l'état électronique sont également en corrélation avec les informations géométriques locales", souligne van der Merwe. "Notre travail fournit des informations clés précieuses sur les différents mécanismes des électrocatalyseurs à base d'oxyde d'iridium pendant la réaction de dégagement d'oxygène et approfondit notre compréhension de la performance et de la stabilité du catalyseur, tandis que notre approche de protocole électrochimique spectroscopique in situ nouvellement proposée est généralement applicable à tous les matériaux d'anode étudiés dans des conditions de dégagement d'oxygène pertinentes".
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, Romualdus Enggar Wibowo, Catalina E. Jimenez, Carlos Escudero, Giovanni Agostini, Marcus Bär, Raul Garcia-Diez; "Electronic and Structural Property Comparison of Iridium-Based OER Nanocatalysts Enabled by Operando Ir L3-Edge X-ray Absorption Spectroscopy"; ACS Catalysis, Volume 14, 2024-10-30
Maximilian Bernt, Alexandra Hartig‐Weiß, Mohammad Fathi Tovini, Hany A. El‐Sayed, Carina Schramm, Jonas Schröter, Christian Gebauer, Hubert A. Gasteiger; "Current Challenges in Catalyst Development for PEM Water Electrolyzers"; Chemie Ingenieur Technik, Volume 92, 2019-11-20
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