Des chercheurs de la Northwestern University ont mis au point une méthode plus efficace et plus stable pour effectuer des réactions électrocatalytiques.

La technique, qui fluidifie les particules de catalyseur dans l'électrolyte au lieu de les coller aux électrodes, évite une baisse rapide des performances de réaction, un phénomène que les chercheurs appellent la fatigue. L'approche pourrait améliorer les processus de production pour l'électrolyse et la conversion et le stockage électrochimiques de l'énergie.

"De nombreux efforts ont été déployés pour trouver de nouveaux catalyseurs hautes performances qui peuvent également mieux résister aux réactions électrochimiques, " a déclaré Jiaxing Huang, professeur de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering, qui a dirigé la recherche. "Nous avons développé une approche radicalement différente pour rendre l'électrocatalyse moins sujette à la désintégration - pas en trouvant un autre nouveau matériau, mais en faisant la réaction différemment."

L'étude, intitulé « Electrocatalyse fluidisée, " a été publié le 10 février dans la revue CSC Chimie et figurait sur la couverture du numéro de février.

Dans un environnement d'électrocatalyse typique, une fois les matériaux catalytiques collés sur l'électrode, ils sont trempés dans l'électrolyte et subissent une réaction stimulée par une tension. Étant donné que la tension est appliquée en continu à travers l'électrode, les matériaux subissent un stress électrochimique continu. Heures supplémentaires, leurs performances catalytiques peuvent se dégrader en raison des dommages structurels accumulés dans l'ensemble de l'électrode, ou sur des particules individuelles.

L'approche de l'équipe évite le stress continu en fluidifiant les particules dans l'électrolyte. Maintenant, les particules fonctionnent en rotation, ne subissant une contrainte électrochimique que momentanément lors de la collision avec l'électrode. Collectivement, la sortie des événements de collision individuels se fond dans un courant électrochimique continu et stable.

"L'électrocatalyse fluidisée brise le continuum spatial et temporel des réactions électrochimiques, rendre les catalyseurs plus efficaces. » Huang a déclaré. « La fluidisation réduit également la limite de transport de masse des réactifs vers le catalyseur, puisque les particules nagent dans l'électrolyte."

Huang a testé ses idées en utilisant un catalyseur disponible dans le commerce appelé Pt/C, qui est fait de poudres de noir de carbone décorées par des nanoparticules de platine pour catalyser le dégagement d'oxygène, dégagement d'hydrogène, et les réactions d'oxydation du méthanol. Ces trois réactions électrochimiques, lorsqu'il est catalysé par Pt/C, souffrent normalement d'une grave dégradation des performances, mais tous ont montré une efficacité et une stabilité supérieures lorsque les particules ont été fluidisées.

"La nouvelle stratégie permet à un catalyseur instable d'offrir des performances stables pour les trois réactions du modèle. C'était une preuve de concept passionnante, " dit Yi-Ge Zhou, le premier auteur de l'article et un ancien postdoctorant invité dans le groupe de Huang. "Lorsque nous avons calculé l'efficacité d'une seule particule pour certaines de ces réactions, elle était d'au moins trois ordres de grandeur plus élevée que les particules fixes. Au lieu de les stresser, nous avons donné aux particules une chance de se détendre, et ils sont devenus beaucoup plus efficaces en conséquence."

Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour identifier les types de réactions électrochimiques qui pourraient maximiser les avantages de l'électrocatalyse fluidisée, Huang pense que sa méthode pourrait être appliquée à une variété de différents types de matériaux et produire plus efficacement, réactions électrocatalytiques plus durables. Cela pourrait conduire à des processus de synthèse électrochimique améliorés, qui jouent un rôle important dans la conversion de l'énergie en produits chimiques pour le stockage d'énergie à grande échelle.

"J'espère que d'autres chercheurs envisageront notre méthode pour réévaluer leurs catalyseurs. Ce serait passionnant de voir des catalyseurs précédemment jugés inutilisables devenir utilisables, " dit Huang.