Des chimistes de l'Université nationale de Singapour ont mis au point une méthode pour confiner des nanoparticules de métaux nobles dans des couches, matériaux quasi-bidimensionnels (2-D) pour une production efficace d'hydrogène.

L'hydrogène est un combustible propre qui peut être brûlé dans une pile à combustible pour produire de l'énergie avec un impact minimal sur l'environnement. Une méthode pour produire de l'hydrogène consiste à utiliser de l'électricité pour déverser des molécules d'eau, en présence d'un catalyseur. Les chercheurs de NUS ont développé un moyen de créer des catalyseurs stables et sélectifs qui peuvent être utilisés pour une production efficace d'hydrogène. Leur méthode encapsule des nanoparticules de métaux nobles dans des matériaux quasi-2-D par une simple méthode de réduction in situ. C'est comme mettre les ingrédients entre des morceaux de pain dans un sandwich. Cette nouvelle méthode est un moyen plus facile de produire cette structure, évitant le processus fastidieux d'exfoliation des nanofeuilles 2D. L'espace confiné dans les couches quasi-2-D fournit un environnement bien contrôlé pour la catalyse. Il empêche également les polluants de plus grande taille ou les molécules neutres d'affecter le processus catalytique. Dans leurs tests, les catalyseurs présentent une excellente activité et une stabilité à long terme lorsqu'ils sont utilisés pour la production d'hydrogène.

Interface des réactions confinées, qui peut moduler la liaison des réactifs avec les centres catalytiques et influencer la vitesse du transport de masse à partir de la solution en vrac, ont émergé comme une stratégie viable pour obtenir une catalyse hautement stable et sélective. Cependant, le confinement des nanoparticules en 2-D, matériaux stratifiés est difficile en raison de la forte force de van der Waals entre les nanofeuillets adjacents. Les méthodes conventionnelles reposant sur la diffusion de précurseurs d'ions par force capillaire ne sont pas réalisables pour atteindre cet objectif.

Prof LOH Kian Ping, avec son doctorat. étudiants CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, du Département de chimie, NOUS, a employé une stratégie ingénieuse basée sur la réduction in situ des précurseurs d'ions pour introduire des nanoparticules dans les espaces internes du matériau hôte. La croissance de nanoparticules dans un espace confiné se traduit par une taille de particule plus petite avec des performances catalytiques améliorées. Cette percée de recherche est réalisée en collaboration avec l'électrochimiste, Prof YEO Boon Siang du Département de chimie, NOUS. Le professeur Yeo a étudié la cinétique de diffusion anisotrope des réactifs pour expliquer l'excellente stabilité à long terme de ces catalyseurs.

Contrairement à d'autres travaux de recherche sur les catalyseurs 2D, ce travail n'implique pas l'exfoliation de nanofeuillets 2D, ce qui est un processus compliqué. Au lieu, les chercheurs ont profité de conditions très réductrices, matériaux hôtes lithiés (LixMoS2) pour réagir avec les précurseurs d'ions. Cela fournit une force motrice puissante pour surmonter les interactions de van der Waals et transforme les matériaux quasi-2-D en un matériau unique, MoS2 | métaux nobles | Structure sandwich MoS2 (Figure 1). Les chercheurs ont en outre démontré l'évolutivité industrielle en fabriquant et en testant une membrane de séparation d'eau chargée de catalyseur de 25 cm2. Ceci est sans précédent dans la recherche actuelle en 2D, qui sont souvent limitées par la taille des flocons exfoliés et la difficulté d'enduction par centrifugation d'un film continu. L'interaction synergique hôte-invité permet une fonctionnement à long terme du catalyseur de production d'hydrogène. Il a également une charge métallique réduite par rapport au catalyseur disponible dans le commerce. Ce nouveau concept de confinement utilisant des matériaux 2D peut potentiellement être appliqué à de nombreuses autres réactions catalytiques impliquant des applications liées à l'énergie.