Pour exploiter l'hydrogène comme source d'énergie propre pour l'avenir, les scientifiques se sont efforcés de développer de nouveaux procédés pour produire de l'hydrogène de manière efficace et rentable. Une équipe composée de scientifiques spécialisés dans les matériaux de structure de la City University of Hong Kong (CityU) a développé un électrocatalyseur haute performance basé sur un concept innovant à l'origine pour le développement d'alliages. Le nouvel électrocatalyseur peut être produit à grande échelle et à faible coût, fournir un nouveau paradigme dans l'application large de la production d'hydrogène par réaction électrochimique à l'avenir.

La recherche a été codirigée par le professeur Lu Jian, vice-président (recherche et technologie) de CityU et professeur titulaire de génie mécanique, et le professeur Liu Chain-tsuan, professeur distingué universitaire du College of Engineering. Les résultats ont été publiés dans Matériaux avancés avec le titre "A Novel Multinary Intermetallic as an Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution".

Lorsqu'il est consommé dans une pile à combustible, l'hydrogène ne produit que de l'eau sans aucune génération de dioxyde de carbone. Par conséquent, il est généralement considéré comme une source propre idéale pour s'attaquer aux problèmes des gaz à effet de serre et des pénuries d'énergie. Par rapport à d'autres méthodes de production d'hydrogène, le fractionnement électrochimique de l'eau est un processus relativement respectueux de l'environnement avec un grand potentiel pour les applications industrielles. Cependant, la plupart des électrocatalyseurs actuels sont à base de métaux nobles, comme le platine et le palladium. Leurs coûts élevés et leur rareté entravent grandement le développement et l'application de cette méthode de production d'hydrogène.

Plus tôt, Le professeur Liu a développé une stratégie innovante de conception d'alliages pour la fabrication de composés intermétalliques à haute entropie. Cette stratégie surmonte le dilemme de compromis entre la résistance et la ductilité dans les matériaux métalliques traditionnels en introduisant une haute densité de nanoparticules de composés intermétalliques à plusieurs composants à l'échelle nanométrique. Les résultats ont été publiés dans Science . Étant donné que les composés intermétalliques à haute entropie possèdent des structures atomiques bien ordonnées et des fonctions chimiques synergiques grâce à ses multiples composants, qui favorisent tous deux les performances électrocatalytiques, la nouvelle stratégie de conception d'alliage fournit également un aperçu du développement de nouveaux électrocatalyseurs.

L'équipe du professeur Liu a collaboré avec le groupe d'experts du professeur Lu dans la recherche sur les métaux nobles et a développé un nouvel électrocatalyseur intermétallique à haute entropie (HEI) en adoptant la stratégie de conception d'alliage. Le nouvel électrocatalyseur est principalement composé de cinq éléments métalliques :fer, cobalt, nickel, aluminium et titane. Il a également une structure atomique bien ordonnée. Par un simple, méthode chimique en une étape, l'équipe a produit une structure poreuse de type dendrite qui a considérablement augmenté la surface pour les activités électrochimiques et a donc considérablement amélioré les performances électrochimiques.

Les alliages à haute entropie (HEA) sont de nouveaux alliages constitués de quatre éléments métalliques ou plus, avec une bonne mécanique, physique, propriétés chimiques et autres. Puisqu'il contient des variétés d'éléments, les fonctions synergiques entre les différents éléments chimiques offrent de nombreuses voies pour optimiser les performances catalytiques. Cependant, les HEA classiques ont une distribution atomique désordonnée dans leur solution solide, il est donc difficile de modifier efficacement la structure électronique et les sites actifs pour finalement favoriser la réaction électrochimique.

D'autre part, les composés intermétalliques sont un type d'alliage métallique formé d'éléments métalliques, soit par des éléments métalliques avec un ou plusieurs éléments non métalliques dont la structure cristalline diffère de celles des autres constituants. Étant donné que les atomes métalliques multinaires sont uniformément répartis dans sa structure intermétallique bien ordonnée, il permet un effet spécifique d'isolement du site. Et sa structure électronique est hautement accordable. Il est donc considéré comme un catalyseur prometteur. Cependant, la plupart des recherches actuelles sur les électrocatalyseurs intermétalliques se concentrent sur les alliages binaires qui n'ont pas les fonctions synergiques parmi les éléments métalliques multinaires.

Par conséquent, ce résultat de recherche est en fait le résultat de la combinaison des avantages des alliages à haute entropie (effets synergiques entre les éléments métalliques multinaires) et des composés intermétalliques (effet d'isolement de site structurel intrinsèque et structure électronique bien réglée).

En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage à résolution atomique (corrigée par Cs) et la tomographie par sonde atomique 3D dans les expériences, l'équipe a caractérisé la structure atomique de l'électrocatalyseur HEI. Avec d'autres calculs théoriques, ils ont prouvé que les effets synergiques et la structure atomique bien ordonnée optimisent efficacement la structure électronique, et donc promouvoir le processus de fractionnement électrochimique de l'eau.

En raison de ses constituants et de sa structure uniques, ce catalyseur HEI effectue une excellente réaction de dégagement d'hydrogène dans une solution d'électrolyte alcaline.

"Notre stratégie unique pour produire HEI découvre un nouveau paradigme pour développer un nouvel électrocatalyseur avec des activités de réaction supérieures pour diviser l'eau et produire de l'hydrogène, " a déclaré le professeur Liu.

"La méthode que nous avons utilisée pour préparer le HEI a déjà été largement utilisée dans la production industrielle. Puisque nous utilisons les métaux moins chers comme matières premières, nous pensons que ce nouvel électrocatalyseur aura un potentiel d'application prometteur dans la production industrielle d'hydrogène, " ajouta le professeur Lu.