Des catalyseurs auto-optimisants facilitent la séparation de l'eau pour la production verte d'hydrogène
Les performances du catalyseur augmentent de façon surprenante avec le temps
L'hydrogène est une option très discutée en termes de production d'énergie neutre en CO₂. Les unités d'électrolyse qui séparent l'eau en son élément constitutif, l'oxygène, et en hydrogène stockable sont alimentées par de l'électricité provenant de ressources renouvelables, principalement générées par l'énergie éolienne et solaire. Toutefois, des catalyseurs sont nécessaires pour faciliter ce processus. À ce jour, les oxydes de métaux nobles tels que le dioxyde de ruthénium et le dioxyde d'iridium sont utilisés comme catalyseurs de référence. Toutefois, ces métaux sont chers, rares et instables dans les environnements acides et alcalins.
Dandan Gao, chef de groupe à l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et titulaire d'une bourse Walter Benjamin parrainée par la Fondation allemande pour la recherche, et son équipe ont réussi à concevoir une autre forme de catalyseur en utilisant du cobalt et du tungstène, des éléments facilement disponibles à faible coût. "Ce qui est unique dans notre catalyseur, c'est qu'il améliore ses performances au fil du temps, alors que les catalyseurs conventionnels maintiennent leurs performances à un taux constant ou perdent même une partie de leurs performances parce qu'ils ne sont pas suffisamment durables", a déclaré le Dr Dandan Gao. "Après le processus d'optimisation, l'activité est encore plus élevée que celle des catalyseurs de référence. Les résultats de Gao et de son équipe ont récemment été publiés dans l'édition internationale de la revue "Angewandte Chemie".
Quelles sont les causes du processus d'auto-optimisation ?
Les chercheurs ont entrepris des recherches expérimentales et théoriques pour trouver une explication à l'extraordinaire auto-optimisation de leur catalyseur. Ils ont pu déterminer que la nature chimique de l'oxyde de cobalt-tungstène catalyseur change au cours du processus de séparation de l'eau. Alors que le cobalt est initialement largement présent sous la forme de Co²⁺, il est de plus en plus converti en Co³⁺. Parallèlement, la proportion entre l'ion W⁵⁺ du tungstène d'origine et l'ion W⁶⁺ se déplace en faveur de ce dernier. "Il y a deux réactions lors du fractionnement de l'eau. La réaction de dégagement de l'hydrogène (HER), qui produit de l'hydrogène gazeux, et la réaction de dégagement de l'oxygène (OER), qui produit de l'oxygène gazeux. La réaction de dégagement de l'oxygène représente le goulot d'étranglement de l'ensemble de la réaction", explique M. Gao. "C'est pourquoi nous nous sommes engagés à développer un catalyseur capable de promouvoir la demi-réaction de dégagement de l'oxygène.
Alors que l'OER est initialement induite par le site actif du tungstène, ce processus est transféré avec le temps au site actif du cobalt. En outre, la surface électrochimiquement active du catalyseur augmente également au fil du temps. L'équipe de recherche a également observé des modifications de l'hydrophilie de la surface. Son affinité pour l'eau augmente progressivement, ce qui est particulièrement bénéfique dans le contexte de la séparation électrochimique de l'eau. "En général, nous avons enregistré des surpotentiels considérablement réduits et des densités de courant accrues, accompagnés d'une augmentation substantielle de la cinétique de la séparation de l'eau", conclut M. Gao. Il s'agit là d'une bonne nouvelle pour la production d'hydrogène de demain.
Financement par le programme Walter Benjamin de la Fondation allemande de la recherche
Dandan Gao est parrainé par le programme Walter Benjamin de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) depuis juin 2023. Ce programme permet aux chercheurs en début de carrière de poursuivre leur propre projet de recherche dans une institution de leur choix. L'institution de recherche hôte - l'Université Johannes Gutenberg de Mayence dans ce cas - apporte son soutien au projet en question.
Les travaux décrits dans Angewandte Chemie ont également reçu le soutien de la Fondation Carl Zeiss, de la Fondation Alexander von Humboldt et du domaine de recherche de haut niveau SusInnoScience de l'université Johannes Gutenberg de Mayence - la chimie durable comme clé de l'innovation dans la science économe en ressources dans l'Anthropocène.
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
Christean Nickel, David Leander Troglauer, Zsolt Dallos, Dhouha Abid, Kevin Sowa, Magdalena Ola Cichocka, Ute Kolb, Boris Mashtakov, Bahareh Feizi Mohazzab, Shikang Han, Leon Prädel, Lijie Ci, Deping Li, Xiaohang Lin, Minghao Hua, Rongji Liu, Dandan Gao; "Self‐optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-2-12
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