Les nanoparticules de métaux non précieux pourraient un jour remplacer les catalyseurs coûteux pour la production d'hydrogène. Cependant, il est souvent difficile de déterminer les vitesses de réaction qu'ils peuvent atteindre, surtout quand il s'agit de particules d'oxyde. En effet, les particules doivent être fixées à l'électrode à l'aide d'un liant et d'additifs conducteurs, qui faussent les résultats. A l'aide d'analyses électrochimiques de particules individuelles, les chercheurs ont maintenant réussi à déterminer l'activité et la conversion de substance de nanocatalyseurs fabriqués à partir d'oxyde de cobalt et de fer, sans aucun liant. L'équipe dirigée par le professeur Kristina Tschulik de la Ruhr-Universität Bochum rapporte avec des collègues de l'Université de Duisburg-Essen et de Dresde dans le Journal de l'American Chemical Society , publié en ligne le 30 mai 2019.

« Le développement de catalyseurs à base de métaux non précieux joue un rôle décisif dans la réalisation de la transition énergétique car seuls ils sont bon marché et disponibles en quantité suffisante pour produire les quantités requises de carburants renouvelables, " dit Kristina Tschulik, membre du Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Hydrogène, une source d'énergie prometteuse, peut ainsi être acquise en divisant l'eau en hydrogène et oxygène. Le facteur limitant ici a été jusqu'à présent la réaction partielle au cours de laquelle l'oxygène est produit.

Mieux que les taux de réaction actuellement atteints dans l'industrie

L'efficacité avec laquelle les particules d'oxyde de fer cobalt sont capables de catalyser la génération d'oxygène a été étudiée par les chercheurs dans le cadre des travaux en cours. Ils ont analysé de nombreuses particules individuelles les unes après les autres. Les chimistes ont autorisé une particule à catalyser la génération d'oxygène à la surface de l'électrode et ont mesuré le flux de courant à partir de celle-ci, qui fournit des informations sur la vitesse de réaction. "Nous avons mesuré des densités de courant de plusieurs kiloampères par mètre carré, ", dit Tschulik. "C'est au-dessus des taux de réaction actuellement possibles dans l'industrie."

L'équipe a montré que, pour les particules inférieures à dix nanomètres, le flux de courant dépend de la taille des particules - plus la particule de catalyseur est petite, plus le courant est petit. Le courant est également limité par l'oxygène qui est produit dans la réaction et qui diffuse loin de la surface des particules.

Extrêmement stable malgré un stress élevé

Suite aux expériences de catalyse, les chimistes ont observé les particules de catalyseur au microscope électronique à transmission. "Malgré les taux de réaction élevés, c'est-à-dire que bien que les particules aient créé tant d'oxygène, ils ont à peine changé, " dit Tschulik. " La stabilité dans des conditions extrêmes est exceptionnelle. "

L'approche d'analyse utilisée dans les travaux en cours peut également être transférée à d'autres électrocatalyseurs. « Il est essentiel d'en savoir plus sur les activités des nanocatalyseurs afin de pouvoir développer plus efficacement les catalyseurs à base de métaux non précieux pour les technologies des énergies renouvelables de demain, " explique le chimiste de Bochum. Afin d'analyser l'effet de la taille des particules sur l'activité catalytique, il est important de synthétiser des nanoparticules de taille définie. Dans le cadre de l'Alliance Universitaire Ruhr, l'équipe de Bochum coopère étroitement avec des chercheurs de l'Université de Duisburg-Essen dirigés par le professeur Stephan Schulz, qui produisent les particules de catalyseur.