Hydrogène vert : un matériau structuré en cage se transforme en un catalyseur performant
Découverte d'une classe de matériaux très intéressante pour les électrocatalyseurs ?
Les clathrates se caractérisent par une structure en cage complexe qui laisse de la place aux ions invités. Pour la première fois, une équipe a étudié l'adéquation des clathrates en tant que catalyseurs pour la production électrolytique d'hydrogène et a obtenu des résultats impressionnants : l'échantillon de clathrates était encore plus efficace et plus robuste que les catalyseurs à base de nickel actuellement utilisés. Ils ont également trouvé une raison à cette performance accrue. Les mesures effectuées à BESSY II ont montré que les clathrates subissent des changements structurels au cours de la réaction catalytique : la structure tridimensionnelle en cage se transforme en nanofeuillets ultraminces qui permettent un contact maximal avec les centres catalytiques actifs. L'étude a été publiée dans la revue "Angewandte Chemie".
L'hydrogène peut être produit par électrolyse de l'eau. Si l'énergie électrique nécessaire à ce processus provient de sources renouvelables, cet hydrogène est même neutre en carbone. Cet hydrogène "vert" est considéré comme un élément important du système énergétique de l'avenir et est également nécessaire en grandes quantités comme matière première pour l'industrie chimique. Deux réactions sont cruciales dans l'électrolyse : l'évolution de l'hydrogène à la cathode et l'évolution de l'oxygène à l'anode (OER). Cependant, la réaction de dégagement de l'oxygène en particulier ralentit le processus souhaité. Pour accélérer la production d'hydrogène, il faut mettre au point des catalyseurs plus efficaces et plus robustes pour le processus de dégagement d'oxygène.
Les clathrates, une structure faite de cages
Actuellement, les composés à base de nickel sont considérés comme de bons catalyseurs peu coûteux pour la réaction alcaline de dégagement d'oxygène. C'est là que le Dr Prashanth Menezes et son équipe interviennent. Le contact entre les centres actifs du nickel et l'électrolyte joue un rôle crucial dans l'efficacité d'un catalyseur", explique le chimiste. Dans les composés de nickel classiques, cette surface est limitée. Nous avons donc voulu vérifier si des échantillons contenant du nickel et appartenant à la classe fascinante des matériaux connus sous le nom de clathrates pouvaient être utilisés comme catalyseurs".
Les matériaux sont constitués de Ba8Ni6Ge40 et ont été produits à l'université technique de Munich. Comme tous les clathrates, ils se caractérisent par une structure cristalline complexe de cages polyédriques, dans ce cas, formées de germanium et de nickel, enfermant du baryum. Cette structure confère aux clathrates des propriétés particulières qui les rendent intéressants en tant que thermoélectriques, supraconducteurs ou électrodes de batterie. Cependant, jusqu'à présent, aucun groupe de recherche n'avait envisagé d'étudier les clathrates en tant qu'électrocatalyseurs.
Expériences dans les universités et BESSY II
Les mesures électrochimiques ont montré que le catalyseur Ba₈Ni₆Ge₄₀ dépassait l'efficacité des catalyseurs à base de nickel à une densité de courant de 550 mA cm-², une valeur également utilisée dans l'électrolyse industrielle. La stabilité était également remarquablement élevée : même après 10 jours de fonctionnement continu, l'activité n'a pas diminué de manière significative.
L'équipe a eu recours à une combinaison d'expériences pour comprendre pourquoi le matériau est si remarquablement adapté. À BESSY II, ils ont étudié les échantillons à l'aide de la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) in situ, tandis que la caractérisation structurelle de base a été réalisée à la Freie Universität et à la Technische Universität Berlin.
De la cage à l'éponge
Leur analyse a montré que les particules de Ba8Ni6Ge40 dans l'électrolyte aqueux subissent une transformation structurelle sous l'effet d'un champ électrique : les atomes de germanium et de baryum se dissolvent hors de l'ancienne structure tridimensionnelle. Les atomes de germanium et de baryum représentent près de 90 % du matériau de départ du clathrate et sont complètement éliminés, laissant derrière eux des nanocouches très poreuses, semblables à des éponges, composées des 10 % de nickel restants, qui offrent une surface maximale", explique le Dr Niklas Hausmann, de l'équipe de Menezes. Cette transformation met en contact avec l'électrolyte de plus en plus de centres de nickel catalytiquement actifs.
Nous avons été surpris par l'efficacité de ces échantillons en tant que catalyseurs de REL. Nous pensons pouvoir observer des résultats similaires avec d'autres clathrates de métaux de transition et avoir découvert une classe de matériaux très intéressante pour les électrocatalyseurs", déclare Menezes.
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Publication originale
Ziliang Chen, Hongyuan Yang, J. Niklas Hausmann, Stefan Mebs, Viktor Hlukhyy, Holger Dau, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes; "Ba‐Ni‐Ge Clathrate Transformation Maximizes Active Site Utilization of Nickel for Enhanced Oxygen Evolution Performance"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-3-26
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