Un matériau composite nanostructuré développé à l'UC Santa Cruz a montré des performances impressionnantes en tant que catalyseur de la division électrochimique de l'eau pour produire de l'hydrogène. Un efficace, un catalyseur à faible coût est essentiel pour réaliser la promesse de l'hydrogène en tant que carburant respectueux de l'environnement.

Des chercheurs dirigés par Shaowei Chen, professeur de chimie et de biochimie à l'UC Santa Cruz, ont étudié l'utilisation de matériaux nanostructurés à base de carbone comme catalyseurs pour la réaction qui génère de l'hydrogène à partir de l'eau. Dans une étude récente, ils ont obtenu de bons résultats en incorporant des ions ruthénium dans une nanostructure en forme de feuille composée de nitrure de carbone. Les performances ont été encore améliorées en combinant le nitrure de carbone dopé au ruthénium avec du graphène, une forme de feuille de carbone, pour former un composite stratifié.

« La chimie de liaison du ruthénium avec l'azote dans ces matériaux nanostructurés joue un rôle clé dans les hautes performances catalytiques, " a déclaré Chen. " Nous avons également montré que la stabilité du catalyseur est très bonne. "

Les nouveaux résultats ont été publiés dans ChemSusChem , une revue de premier plan couvrant la chimie durable et les matériaux énergétiques, et le papier est présenté sur la couverture du numéro du 10 janvier. Premier auteur Yi Peng, un étudiant diplômé du laboratoire de Chen, a dirigé l'étude et conçu l'image de couverture.

L'hydrogène a longtemps été attrayant en tant que carburant propre et renouvelable. Une pile à combustible à hydrogène alimentant un véhicule électrique, par exemple, n'émet que de la vapeur d'eau. Actuellement, cependant, la production d'hydrogène dépend encore fortement des combustibles fossiles (principalement en utilisant de la vapeur pour l'extraire du gaz naturel). Trouver un low cost, moyen efficace d'extraire l'hydrogène de l'eau par électrolyse serait une percée majeure. Électricité à partir de sources renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne, qui peut être intermittent et peu fiable, pourrait alors être facilement stocké et distribué comme carburant hydrogène.

Actuellement, les catalyseurs les plus efficaces pour la réaction électrochimique qui génère de l'hydrogène à partir de l'eau sont à base de platine, ce qui est rare et cher. Les matériaux à base de carbone se sont montrés prometteurs, mais leurs performances ne sont pas proches de celles des catalyseurs à base de platine.

Dans le nouveau matériau composite développé par le laboratoire de Chen, les ions ruthénium noyés dans les nanofeuillets de nitrure de carbone modifient la répartition des électrons dans la matrice, créer des sites plus actifs pour la liaison des protons afin de générer de l'hydrogène. L'ajout de graphène à la structure améliore encore la redistribution des électrons.

"Le graphène forme une structure sandwich avec les nanofeuillets de nitrure de carbone et entraîne une redistribution supplémentaire des électrons. Cela nous donne une plus grande efficacité de réduction des protons, " dit Chen.

Les performances électrocatalytiques du composite étaient comparables à celles des catalyseurs au platine commerciaux, les auteurs ont rapporté. Chen a noté, cependant, que les chercheurs ont encore un long chemin à parcourir pour parvenir à une production d'hydrogène bon marché et efficace.