Les catalyseurs à nanoparticules développés par les chercheurs d'A*STAR peuvent aider à diviser l'eau pour produire de l'hydrogène, un combustible à combustion propre qui offre un moyen pratique de stocker de l'énergie renouvelable.

Le platine est actuellement le matériau d'électrode catalytique le plus efficace pour générer de l'hydrogène de cette manière, mais le métal précieux est à la fois rare et cher. Yee-Fun Lim et ses collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR ont maintenant développé des nanoparticules d'électrocatalyseur hautement actives, pas cher et stable, et qui effectuent la réaction de dégagement d'hydrogène ainsi que toutes les alternatives au platine encore découvertes.

L'équipe a utilisé de la mousse de nickel poreuse comme base pour leur électrode, car il offre une très grande surface pour supporter des nanoparticules catalytiques actives. Ensuite, ils ont enduit la mousse d'un composé cobalt-thiourée, et chauffé pour décomposer la thiourée, qui libère du soufre. Ce soufre a réagi avec les métaux pour former des nanoparticules de sulfure de cobalt et de sulfure de nickel. Les chercheurs ont étudié la structure et la composition des nanoparticules à l'aide de diverses techniques, y compris la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage.

Au cours de la réaction, l'électricité aide les atomes métalliques à la surface de ces nanoparticules à arracher un atome d'hydrogène d'une molécule d'eau. L'atome d'hydrogène se combine alors avec un autre atome d'hydrogène, soit à la surface de la nanoparticule, ou à partir d'une autre molécule d'eau pour produire de l'hydrogène gazeux (H2). Surtout, les nanoparticules de sulfure métallique fonctionnent bien dans les conditions alcalines habituellement requises pour la réaction parallèle qui génère de l'oxygène lors de la division de l'eau.

L'équipe de Lim a montré que la variation de la température et de la durée de l'étape de chauffage utilisée pour préparer les nanoparticules avait un effet dramatique sur leur composition et leurs proportions relatives, et des tests ont montré que cela déterminait leur activité dans la réaction de dégagement d'hydrogène. Un chauffage prolongé a provoqué l'agglutination de certaines nanoparticules, par exemple, et a également augmenté la proportion de sulfure de cobalt, ce qui réduit considérablement l'activité du catalyseur.

La meilleure performance est venue du sulfure de métal mélangé qui avait été chauffé à 500 degrés Celsius pendant seulement 10 minutes (voir image). Il a fallu une tension relativement basse de 163 millivolts pour initier la réaction de dégagement d'hydrogène, seulement 47 millivolts de plus qu'un électrocatalyseur au platine commercial, et comparable aux meilleures alternatives. Le catalyseur n'a montré aucune dégradation sur trois jours de réactions continues.

"Le catalyseur mixte combine les bonnes propriétés des catalyseurs au nickel et au cobalt pour obtenir des performances supérieures, " dit Lim. Son équipe prévoit d'utiliser une approche similaire pour fabriquer sur mesure des nanoparticules catalytiques pour une réaction différente qui transforme le dioxyde de carbone en carburants.