La division de l'eau en hydrogène et oxygène pour produire de l'énergie propre peut être simplifiée avec un seul catalyseur développé par des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Houston.

Le film électrolytique produit à Rice et testé à Houston est une structure à trois couches de nickel, le graphène et un composé de fer, manganèse et phosphore. Le nickel mousseux donne au film une grande surface, le graphène conducteur protège le nickel de la dégradation et le phosphure métallique effectue la réaction.

Le matériau robuste fait l'objet d'un article en Nano énergie .

Le chimiste du riz Kenton Whitmire et l'ingénieur électricien et informatique de Houston Jiming Bao et leurs laboratoires ont développé le film pour surmonter les barrières qui font généralement un bon catalyseur pour produire de l'oxygène ou de l'hydrogène, mais pas les deux à la fois.

"Les métaux ordinaires s'oxydent parfois lors de la catalyse, " dit Whitmire. " Normalement, une réaction de dégagement d'hydrogène se fait dans l'acide et une réaction de dégagement d'oxygène se fait dans la base. Nous avons un matériau qui est stable, que ce soit dans une solution acide ou basique."

La découverte s'appuie sur la création par les chercheurs d'un simple catalyseur d'évolution de l'oxygène révélé plus tôt cette année. Dans ce travail, l'équipe a développé un catalyseur directement sur une matrice de nanotiges semi-conductrices qui a transformé la lumière du soleil en énergie pour la division de l'eau solaire.

L'électrocatalyse nécessite deux catalyseurs, une cathode et une anode. Lorsqu'il est placé dans l'eau et chargé, de l'hydrogène se formera à une électrode et de l'oxygène à l'autre, et ces gaz sont captés. Mais le processus nécessite généralement des métaux coûteux pour fonctionner aussi efficacement que le catalyseur de l'équipe Rice.

"La norme pour le dégagement d'hydrogène est le platine, " a déclaré Whitmire. " Nous utilisons des matériaux abondants sur Terre - fer, le manganèse et le phosphore, par opposition aux métaux nobles qui sont beaucoup plus chers."

Le nouveau catalyseur nécessite également moins d'énergie, dit Whitmire. "Si vous voulez faire de l'hydrogène et de l'oxygène, il faut mettre de l'énergie, et plus tu en mets, moins c'est commercialement viable, " dit-il. " Vous voulez le faire avec le minimum d'énergie possible. C'est un avantage de notre matériel :La surtension (la quantité d'énergie nécessaire pour déclencher l'électrocatalyse) est faible, et assez compétitif avec d'autres matériaux. Le plus bas vous pouvez l'obtenir, plus vous vous rapprochez de la rendre aussi efficace que possible pour le fractionnement de l'eau."

Graphène, la forme de carbone à épaisseur atomique, est la clé pour protéger le nickel sous-jacent. Une à trois couches de graphène sont formées sur la mousse de nickel dans un four de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), et le fer, du manganèse et du phosphore s'y ajoutent, également par CVD et à partir d'un seul précurseur.

Les tests du laboratoire de Bao ont comparé la mousse de nickel et le phosphure avec et sans graphène au milieu et ont trouvé que le graphène conducteur réduisait la résistance de transfert de charge pour les réactions d'hydrogène et d'oxygène.

"Le nickel est l'un des meilleurs catalyseurs pour fabriquer du graphène, " a déclaré le co-auteur principal Desmond Schipper, un étudiant diplômé de Rice. "Essentiellement, nous utilisons le nickel pour aider à améliorer le nickel. » Il a dit que le manganèse ajoute également un niveau de protection.

Whitmire a déclaré que le matériau est évolutif et devrait être utilisé dans les industries qui produisent de l'hydrogène et de l'oxygène ou dans des installations solaires et éoliennes qui peuvent utiliser l'électrocatalyse pour stocker l'énergie hors pointe.

Il peut également être adapté pour produire d'autres matériaux avancés. "Notre méthode pourrait être largement applicable à un grand nombre de matériaux de phosphure métallique pour catalyseurs, pas seulement pour la séparation de l'eau, mais pour une gamme de choses, " il a dit.

« Un facteur critique est que nous sommes en mesure de fabriquer des matériaux à phase pure avec différentes compositions. Actuellement, les gens ont très peu de contrôle sur la phase qu'ils obtiennent sur une surface, et dans de nombreux cas, ils obtiennent un mélange. Quand cela arrive, ils ne savent pas quelle phase est réellement responsable de la catalyse. Avec notre procédé, ils peuvent savoir."