Le nouveau catalyseur est un matériau composite nanostructuré composé de nanofils de carbone avec des atomes de ruthénium liés à l'azote et au carbone pour former des sites actifs au sein de la matrice de carbone. La microscopie électronique de nanofils de carbone co-dopés au ruthénium et à l'azote a montré des nanoparticules de ruthénium décorant la surface des nanofils. Crédit :Lu et al ., Communication Nature
Un nouveau catalyseur à base de ruthénium développé à l'UC Santa Cruz a montré des performances nettement meilleures que les catalyseurs au platine commerciaux dans l'électrolyse alcaline de l'eau pour la production d'hydrogène. Le catalyseur est un matériau composite nanostructuré composé de nanofils de carbone avec des atomes de ruthénium liés à l'azote et au carbone pour former des sites actifs au sein de la matrice de carbone.
La division électrochimique de l'eau pour produire de l'hydrogène est une étape cruciale dans le développement de l'hydrogène en tant que produit propre et carburant respectueux de l'environnement. Une grande partie des efforts pour réduire les coûts et augmenter l'efficacité de ce procédé se sont concentrés sur la recherche d'alternatives aux catalyseurs coûteux à base de platine.
À l'UC Santa Cruz, chercheurs dirigés par Shaowei Chen, professeur de chimie et biochimie, ont étudié des catalyseurs fabriqués en incorporant du ruthénium et de l'azote dans des matériaux nanocomposites à base de carbone. Leurs nouvelles découvertes, publié le 7 février dans Communication Nature , non seulement démontrer les performances impressionnantes de leur catalyseur à base de ruthénium, mais aussi fournir des informations sur les mécanismes impliqués, ce qui peut conduire à d'autres améliorations.
"C'est une démonstration claire que le ruthénium peut avoir une activité remarquable en catalysant la production d'hydrogène à partir de l'eau, " dit Chen. " Nous avons également caractérisé le matériau à l'échelle atomique, qui nous a aidé à comprendre les mécanismes, et nous pouvons utiliser ces résultats pour la conception et l'ingénierie rationnelles de catalyseurs à base de ruthénium."
La microscopie électronique et l'analyse de cartographie élémentaire du matériau ont montré des nanoparticules de ruthénium ainsi que des atomes de ruthénium individuels dans la matrice de carbone. Étonnamment, les chercheurs ont découvert que les principaux sites d'activité catalytique étaient des atomes de ruthénium plutôt que des nanoparticules de ruthénium.
L'analyse de cartographie élémentaire du matériau composite nanostructuré a montré des atomes de ruthénium individuels dans la matrice de carbone (flèches rouges). Les chercheurs ont découvert que les principaux sites d'activité catalytique étaient des atomes de ruthénium plutôt que des nanoparticules de ruthénium. Crédit :Lu et al ., Communication Nature
"C'était une percée, car de nombreuses études ont attribué l'activité catalytique aux nanoparticules de ruthénium. Nous avons constaté que les atomes simples sont les sites actifs dominants, bien que les nanoparticules et les atomes simples contribuent à l'activité, " a déclaré le premier auteur Bingzhang Lu, un étudiant diplômé du laboratoire de Chen à l'UC Santa Cruz.
Lu a travaillé avec le co-auteur Yuan Ping, professeur assistant de chimie et biochimie, faire des calculs théoriques montrant pourquoi les atomes simples de ruthénium sont des centres catalytiques plus actifs que les nanoparticules de ruthénium.
"Nous avons fait des calculs indépendants à partir des premiers principes pour montrer comment le ruthénium forme des liaisons avec le carbone et l'azote dans ce matériau et comment cela abaisse la barrière de réaction pour donner une meilleure activité catalytique, " a déclaré Ping.
Chen a déclaré avoir déposé une demande de brevet pour la préparation expérimentale de catalyseurs à base de ruthénium. Il a noté que, en plus des applications potentielles de la production d'hydrogène dans le cadre de systèmes énergétiques durables, l'électrolyse alcaline de l'eau est déjà largement utilisée dans l'industrie chimique, de même qu'un procédé connexe appelé électrolyse chlore-alcali pour lequel le catalyseur au ruthénium pourrait également être utilisé. Ainsi, un grand marché existe déjà pour moins cher, catalyseurs plus efficaces.
L'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène peut être réalisée dans des conditions acides ou alcalines, et chaque méthode a des avantages et des inconvénients. Les catalyseurs au platine sont beaucoup plus efficaces en milieu acide qu'en milieu alcalin. Les catalyseurs à base de ruthénium se comportent presque aussi bien que le platine en milieu acide, tout en surpassant le platine en milieu alcalin, dit Chen.
Dans les travaux futurs, les chercheurs chercheront à maximiser le nombre de sites actifs dans le matériau. Ils peuvent également étudier l'utilisation d'autres métaux dans la même plate-forme nanocomposite, il a dit.
