Un électrocatalyseur créé à l'Université Rice s'est avéré aussi efficace que le platine pour la production d'hydrogène. Le processus crée des bulles d'hydrogène entre les plans du matériau en couches, ce qui brise les couches et rend les sites catalytiques plus accessibles. Crédit :Yuanyue Liu/Université du riz
Des scientifiques de l'Université Rice et du Lawrence Livermore National Laboratory ont prédit et créé de nouveaux électrocatalyseurs bidimensionnels pour extraire l'hydrogène de l'eau avec des performances élevées et à faible coût.
Dans le processus, ils ont également créé un modèle simple pour cribler les matériaux pour l'activité catalytique.
Plusieurs catalyseurs ont été modélisés par le physicien théoricien Rice Boris Yakobson et l'auteur principal Yuanyue Liu, un ancien étudiant diplômé dans son laboratoire, et fabriqué et testé par des scientifiques des matériaux de riz dirigés par Pulickel Ajayan et Jun Lou. Ils ont découvert que les nouveaux catalyseurs de dichalcogénure correspondaient à l'efficacité du platine - le catalyseur de réaction d'évolution d'hydrogène (HER) le plus courant dans les cellules de fractionnement de l'eau - et peuvent être fabriqués à une fraction du coût.
L'étude apparaît dans Énergie naturelle .
Les scientifiques qui ont testé les dichalcogénures de molybdène et de tungstène en tant que catalyseurs HER possibles ont été frustrés de découvrir que les sites actifs avaient tendance à se concentrer sur les bords des plaquettes métalliques, un petit pourcentage de la surface du matériau.
L'équipe Rice s'est tournée vers le niobium et le tantale, deux autres métaux de transition (et surnommés électrocatalyseurs du groupe 5 pour leur position médiane sur le tableau périodique). Ils ont combiné chacun avec du soufre, s'attendant à ce que les nouveaux composés aient des sites actifs le long de leurs plans basaux.
Il s'est avéré que l'hydrogène produit le long des avions a fait quelque chose d'inattendu pour rendre les matériaux encore plus efficaces. "Le processus génère des bulles d'hydrogène entre les couches, qui commence à les séparer, " Yakobson a déclaré. " Cela rend les couches plus accessibles et augmente le nombre de sites actifs. "
Une image au microscope électronique à balayage montre un éclat de l'électrocatalyseur bidimensionnel développé à l'Université Rice. Le matériau composé d'un métal de transition et de soufre s'est avéré capable d'extraire l'hydrogène de l'eau avec des performances élevées et un faible coût. Crédit :Groupe Yakobson/Université Rice
Les plaquettes multicouches qui composent les deux catalyseurs se sont amincies, plus petits et plus dispersés car ils s'auto-optimisaient, les chercheurs ont observé. L'amincissement a raccourci le chemin parcouru par les électrons, qui a abaissé la résistance de transfert de charge.
Liu a déclaré que les améliorations des performances des deux électrocatalyseurs étaient directement liées aux changements de forme physique des matériaux malgré aucun changement observé dans leurs propriétés chimiques ou cristallines.
"Ce travail est une bonne combinaison de théorie et d'expérimentation, " dit Liu, qui a commencé le projet lors d'une bourse 2013 à Lawrence Livermore. "Nous avons d'abord analysé pourquoi les anciens catalyseurs - les dichalcogénures de molybdène et de tungstène - ne fonctionnaient pas bien et avons utilisé cette compréhension pour prédire de nouveaux catalyseurs. Nous nous sommes ensuite tournés vers nos collègues expérimentateurs, qui a réussi à fabriquer et à tester les matériaux et à vérifier nos prédictions."
Yakobson a déclaré que la méthode de Liu pour modéliser le matériau peut être aussi importante que le matériau lui-même. « Yuanyue a en effet créé une nouvelle méthode abrégée pour évaluer les performances catalytiques, " dit-il. " L'ancienne méthode consistait à calculer directement l'énergie de liaison du réactif, comme l'hydrogène, à la surface. Au lieu, nous avons choisi la propriété du catalyseur lui-même pour servir de descripteur, sans avoir à nous soucier de ce qui a été absorbé.
« Ce travail est un exemple rare de la Materials Genome Initiative en action, " a-t-il déclaré. " La théorie développe un descripteur pour accélérer la recherche parmi de nombreuses possibilités matérielles et accélérer la découverte par rapport à l'expérimentation par essais et erreurs. " L'initiative est un programme fédéral visant à accélérer la découverte et la mise en œuvre de matériaux avancés.
Des bulles d'hydrogène gazeux se dégagent de l'eau au niveau des surfaces des électrocatalyseurs au bisulfure de tantale. L'activité catalytique dans les dichalcogénures métalliques stratifiés comme ceux-ci est généralement limitée aux bords, mais ce travail rapporte de nouveaux matériaux qui peuvent également générer de l'hydrogène en surface. Crédit :Ryan Chen/LLNL.
Les chercheurs s'attendent à ce que le comportement d'auto-optimisation des matériaux présente des avantages pratiques pour un traitement évolutif.
« Trouver des catalyseurs tensioactifs dans des matériaux stratifiés est une avancée significative pour la production d'hydrogène à l'aide de catalyseurs de métaux non nobles, " a déclaré le co-auteur Lou, professeur de science des matériaux et nano-ingénierie et de chimie. "Il est également très important que de telles activités de surface puissent être directement vérifiées expérimentalement, ouvrant la voie à de futures applications."
