L'équilibre constitue la base d'une vie heureuse ou d'une alimentation saine. Pour les scientifiques travaillant à la conception de nouveaux catalyseurs pour créer de l'énergie renouvelable, équilibrer différents matériaux et leurs propriétés est tout aussi important. (Les catalyseurs aident à accélérer les réactions chimiques.)

Dans une nouvelle étude, chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Université Johns Hopkins, L'Université Drexel et plusieurs universités de Corée du Sud ont utilisé une approche nouvelle et contre-intuitive pour créer un meilleur catalyseur prenant en charge l'une des réactions impliquées dans la division de l'eau en hydrogène et oxygène. Les scientifiques prévoient d'utiliser l'hydrogène généré comme carburant propre.

En créant d'abord un alliage de deux des éléments naturels les plus denses, puis en en supprimant un, les scientifiques ont remodelé la structure du matériau restant afin qu'il équilibre mieux trois facteurs importants pour les réactions chimiques :l'activité, stabilité et conductivité.

"Trouver un matériau qui fonctionne bien pour la conversion ou le stockage d'énergie, c'est comme créer un mariage heureux, " a déclaré Nenad Markovic, un scientifique des matériaux d'Argonne et auteur de l'étude. "Dans notre cas, nous avons découvert qu'un partenariat dynamique entre deux matériaux différents nous aidait à intégrer des préoccupations concurrentes. »

Les scientifiques à la recherche de nouveaux catalyseurs ont parcouru le tableau périodique pour trouver les bons éléments ou combinaisons d'éléments pour maximiser l'activité d'un catalyseur dans les réactions de division de l'eau, ainsi que la pérennité des sites actifs à sa surface. Trouver des matériaux à la fois stables et actifs, cependant, a été un défi.

"Les catalyseurs plus actifs ont tendance à être moins stables, " a déclaré Markovic. "Ceux qui semblent fonctionner deux fois mieux ne fonctionnent généralement que deux fois moins longtemps. Il devient évident que la conception de catalyseurs actifs ne suffit pas :nous devons avoir non seulement des catalyseurs actifs, mais aussi stable, matériaux."

Pour le nouveau catalyseur, Markovic et ses collègues se sont tournés vers l'iridium, un métal le plus souvent associé aux météorites. Sous forme de film mince, l'iridium est catalytiquement actif, mais comme il réagit avec le temps avec un environnement électrolytique, les atomes d'iridium s'oxydent. Au cours de ce processus, certains d'entre eux quittent la surface du catalyseur par corrosion, altérant de plus en plus ses performances.

L'équipe de recherche a travaillé pour empêcher l'oxydation en réorganisant la structure de l'iridium. Pour aider à stabiliser et activer l'iridium, ils l'ont allié avec son voisin du tableau périodique, osmium.

Contrairement à l'iridium, l'osmium n'est ni catalytiquement actif ni stable, mais il offrait un avantage clé. Après avoir allié l'osmium et l'iridium ensemble, les chercheurs ont ensuite désallié les deux métaux, ne laissant derrière elle qu'une structure reconfigurée de nanopores d'iridium tridimensionnels.

"Sans l'osmium, l'iridium n'atteindrait jamais cet état, " a déclaré Markovic. "Nous devions introduire puis retirer l'osmium pour obtenir une forme d'iridium à la fois active et stable."

Markovic a déclaré que la stabilité catalytique améliorée de chaque nanopore est due au petit volume d'électrolyte dans un pore qui devient rapidement saturé d'ions iridium de sorte que les atomes de surface cessent de se dissoudre, de la même manière qu'il est plus facile de saturer une tasse d'eau avec du sucre qu'un pichet de 10 gallons.

Alors que la structure du nanopore répondait au besoin d'une stabilité, catalyseur actif, c'est une autre facette de la reconfiguration de l'iridium qui a contribué à augmenter la conductivité électronique du matériau. En conditions opérationnelles, le catalyseur poreux forme en fait une enveloppe unique d'oxyde d'iridium moins conducteur autour de son intérieur en métal d'iridium hautement conducteur. Par ici, les électrons peuvent se déplacer facilement à travers la majeure partie du catalyseur pour atteindre la surface, où la molécule d'eau attend des électrons pour initier la réaction de séparation de l'eau.

"Essentiellement, nous essayons de trouver un moyen d'envoyer des électrons sur l'autoroute, ' plutôt que de leur faire emprunter les chemins de traverse, " a déclaré Markovic. " Cette configuration noyau-coque [du matériau nanoporeux] nous permet de le faire. "

L'étude, "Activité d'équilibrage, stabilité et conductivité des catalyseurs nanoporeux core-shell iridium/oxyde d'iridium à dégagement d'oxygène, " est paru dans le numéro du 13 novembre de Communication Nature .