L'hydrogène produit à partir de l'eau par la réaction de dégagement d'hydrogène est une source de carburant propre attrayante. La production d'hydrogène à grande échelle à faible coût est nécessaire pour réaliser sa viabilité en tant que source d'énergie alternative aux combustibles fossiles. Pour atteindre cet objectif, durable, des catalyseurs bon marché sont nécessaires. La plupart des catalyseurs actuels à base de métaux non précieux souffrent d'instabilité dans les solutions acides formées lors du dégagement d'hydrogène. Cependant, le simple fait de protéger le catalyseur de la solution acide tend à diminuer son activité.

Une collaboration dirigée par l'Université de Tsukuba a récemment optimisé une approche pour augmenter la stabilité des catalyseurs utilisés dans la réaction de dégagement d'hydrogène sans sacrifier sensiblement l'activité. L'équipe a découvert que le revêtement des nanoparticules de catalyseur avec un nombre optimal de couches de graphène - une feuille d'atomes de carbone organisée en un réseau en nid d'abeille avec une conductivité et une résistance mécanique élevées - augmentait la durabilité des nanoparticules tout en permettant aux nanoparticules de conserver leur activité catalytique. L'étude a été publiée dans ACS Energy Letters.

« Nous avons optimisé l'équilibre entre le nombre de couches de graphène recouvrant les nanoparticules et leur activité catalytique, " étude premier auteur Kailong Hu dit. " Pour ce faire, nous devions contrôler précisément le nombre de couches de graphène recouvrant les nanoparticules, ce que nous avons obtenu en régulant soigneusement le temps de dépôt du graphène sur les nanoparticules."

Une série d'échantillons de nanoparticules recouvertes de différents nombres de couches de graphène a été fabriquée, caractérisé, puis leur activité catalytique dans la réaction de dégagement d'hydrogène a été déterminée. Les nanoparticules de catalyseur recouvertes du nombre optimal de couches de graphène, qui n'était que de trois à cinq couches, présentait une activité similaire dans la réaction de dégagement d'hydrogène à celle d'un catalyseur coûteux à base de platine. Surtout, ces nanoparticules présentaient également une stabilité élevée; le revêtement de graphène empêchait les nanoparticules métalliques de se dissoudre dans la solution réactionnelle acide.

Les chercheurs ont effectué des calculs théoriques pour étayer leurs découvertes expérimentales. Les résultats ont corroboré les relations entre le nombre de couches de graphène, stabilité chimique, et l'activité catalytique des nanoparticules indiquées par les données expérimentales. C'est-à-dire, les nanoparticules recouvertes de moins de trois couches de graphène ont montré une activité catalytique plus élevée que celles recouvertes de trois à cinq couches, mais cela s'est fait au détriment de la durabilité ; le premier a montré une stabilité chimique plus faible que le second.

"Nos résultats ouvrent la voie à une conception rationnelle de l'écurie, catalyseurs bon marché pour la production d'hydrogène à grande échelle dans les stations d'hydrogène par électrolyse à membrane électrolytique polymère sur site dans des conditions acides, " explique le co-auteur Yoshikazu Ito.

Les découvertes de l'équipe nous rapprochent de la réalisation d'un avenir propre et durable utilisant l'hydrogène comme source de carburant.