L'électricité peut être produite par des sources renouvelables telles que la lumière du soleil et le vent, puis utilisé pour diviser l'eau, qui fait de l'hydrogène un carburant pour les dispositifs énergétiques émergents tels que les piles à combustible. Parce que l'hydrogène est un carburant propre, les chercheurs mettent beaucoup d'efforts dans le développement de catalyseurs de séparation de l'eau, qui sont essentiels pour l'efficacité énergétique de la réaction.

L'accent est principalement mis sur la réaction dite d'évolution de l'oxygène (OER), qui est sans doute le processus le plus difficile dans le fractionnement de l'eau. Après de nombreuses années de recherches intenses, l'oxyde de nickel-fer est maintenant établi comme le catalyseur de prédilection pour les REL dans des conditions alcalines en raison de sa haute activité et de sa composition abondante en terre, et aussi parce qu'il a la plus grande activité par site de réaction parmi tous les oxydes métalliques.

Il y a environ trois ans, des scientifiques du laboratoire de Xile Hu à l'EPFL ont découvert un autre catalyseur nettement plus actif que l'oxyde de nickel-fer, même s'il avait une composition similaire. Il est robuste, facile à synthétiser, et ouvert aux applications industrielles.

La découverte a été dirigée par Fang Song, un post-doctorant dans le groupe de Hu qui a depuis rejoint le corps professoral de l'Université Jiaotong de Shanghai en Chine. Reconnaissant son potentiel technologique, Hu, Chanson, et leur collègue Elitsa Petkucheva a commencé à tester le catalyseur dans le cadre d'un projet de validation de principe. Le catalyseur a permis un électrolyseur efficace qui pourrait fonctionner dans des conditions industrielles tout en nécessitant 200 mV de moins de tension.

Mais le nouveau catalyseur était également non conventionnel en termes de chimie. "Nous ne savions pas pourquoi le catalyseur serait si actif, " dit Hu. Son équipe s'est donc tournée vers le groupe de Clémence Corminboeuf à l'EPFL pour obtenir de l'aide. En collaboration avec son postdoc, Michael Busch, Corminboeuf a utilisé des calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour rechercher des explications théoriques possibles. DFT est un calcul, méthode de mécanique quantique qui modélise et étudie la structure des systèmes à plusieurs corps, par exemple. atomes, et des molécules.

Le résultat a été radical :la haute activité du nouveau catalyseur provient d'une action coopérative de deux composants séparés en phases d'oxydes de fer et de nickel, qui a surmonté une limitation précédemment identifiée des oxydes métalliques conventionnels où la réaction s'est produite localement sur un seul site métallique. Ils l'ont appelé le mécanisme bifonctionnel.

Alors que le mécanisme dérivé de la DFT était hypothétique, il a guidé des études expérimentales sur l'activité et les propriétés du catalyseur avec Benedikt Lassalle-Kaiser au Synchrotron SOLEIL en France. En utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), les travaux ont mis au jour des traces d'oxydes de fer et de nickel séparés en deux phases dans le catalyseur. Mais parce que les catalyseurs peuvent subir des changements de composition et de structure au cours de la catalyse, il est devenu nécessaire d'étudier le catalyseur en fonctionnement avec XAS.

Dans une étude complète operando XAS, Chen et son étudiant diplômé, Chia Shuo Hsu, a révélé une structure unique du catalyseur - il est constitué de nanoclusters de -FeOOH liés de manière covalente à un support γ-NiOOH, ce qui en fait un catalyseur d'oxyde de fer-nickel, par opposition à l'oxyde de nickel-fer conventionnel. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une preuve directe, cette structure est compatible avec le mécanisme bifonctionnel proposé par la DFT.

"Il s'agit d'une étude véritablement interdisciplinaire impliquant de nombreuses collaborations fructueuses, " dit Hu. " Les études fondamentales fournissent non seulement des informations sur la structure et l'activité de ce catalyseur non conventionnel, mais aussi conduire à une hypothèse mécaniste qui incite à la réflexion."