Les chimistes de l'Université de l'Oregon ont réalisé des gains substantiels dans l'amélioration de la réaction catalytique de dissociation de l'eau dans les réacteurs électrochimiques, appelés électrolyseurs à membrane bipolaire, pour déchirer plus efficacement les molécules d'eau en protons chargés positivement et en ions hydroxyde chargés négativement.

La découverte, publié en ligne avant impression dans la revue Science , fournit une feuille de route pour réaliser des dispositifs électrochimiques qui bénéficient de la propriété clé du fonctionnement des membranes bipolaires :générer les protons et les ions hydroxyde à l'intérieur du dispositif et fournir les ions directement aux électrodes pour produire les produits chimiques finaux.

La technologie derrière les membranes bipolaires, qui sont des polymères échangeurs d'ions en couches prenant en sandwich une couche de catalyseur de dissociation de l'eau, est apparu dans les années 1950. Bien qu'ils aient été appliqués industriellement à petite échelle, leurs performances sont actuellement limitées à un fonctionnement à faible densité de courant, ce qui entrave les applications plus larges.

Parmi eux se trouvent des dispositifs de production d'hydrogène gazeux à partir d'eau et d'électricité, capter le dioxyde de carbone de l'eau de mer, et fabriquer des carburants à base de carbone directement à partir de dioxyde de carbone, a déclaré la co-auteur Shannon W. Boettcher, professeur au Département de chimie et de biochimie de l'UO et directeur fondateur du Centre d'électrochimie de l'Oregon,

"Je soupçonne que nos découvertes accéléreront une résurgence du développement de dispositifs à membrane bipolaire et de la recherche sur les principes fondamentaux de la réaction de dissociation de l'eau, " dit Boettcher, qui est également membre du Materials Science Institute et associé au Phil and Penny Knight Campus de l'UO pour l'accélération de l'impact scientifique.

« La performance que nous avons démontrée est suffisamment élevée, " at-il dit. " Si nous pouvons améliorer la durabilité et fabriquer les membranes bipolaires avec nos partenaires de l'industrie, il devrait y avoir des applications immédiates importantes."

Typiquement, les appareils électrochimiques à base d'eau tels que les batteries, les piles à combustible et les électrolyseurs fonctionnent à un pH unique dans tout le système, c'est-à-dire le système est soit acide, soit basique, a déclaré l'auteur principal de l'étude, Sebastian Z. Oener, un chercheur postdoctoral soutenu par une bourse de la Fondation allemande pour la recherche dans le laboratoire de Boettcher.

"Souvent, cela conduit soit à utiliser des métaux précieux coûteux pour catalyser des réactions d'électrodes, comme l'iridium, l'un des métaux les plus rares sur terre, ou sacrifier l'activité du catalyseur, lequel, à son tour, augmente l'apport énergétique requis du réacteur électrochimique, " a déclaré Oener. " Une membrane bipolaire peut surmonter ce compromis en faisant fonctionner chaque électrocatalyseur localement dans son environnement de pH idéal. Cela augmente le souffle de l'écurie, disponibilité d'un catalyseur abondant en terre pour chaque demi-réaction."

L'équipe de trois membres, qui comprenait également l'étudiant diplômé Marc J. Foster, utilisé un ensemble membrane-électrode où la membrane bipolaire polymère est comprimée entre deux électrodes poreuses rigides. Cette approche leur a permis de fabriquer un grand nombre de membranes bipolaires avec différentes couches de catalyseur de dissociation de l'eau et de mesurer avec précision l'activité de chacune.

L'équipe a découvert que la position exacte de chaque couche de catalyseur à l'intérieur de la jonction membranaire bipolaire - l'interface entre une couche conductrice d'hydroxyde et la couche conductrice de protons dans la membrane bipolaire - affecte considérablement l'activité du catalyseur. Cela leur a permis d'utiliser des bicouches de catalyseur pour réaliser des membranes bipolaires aux performances record qui dissocient essentiellement l'eau avec un apport d'énergie supplémentaire perdu négligeable.

« La plus grande surprise a été de réaliser que les performances pouvaient être considérablement améliorées en superposant différents types de catalyseurs, " Boettcher a déclaré. "C'est simple mais n'avait pas été exploré pleinement."

Une deuxième constatation clé, Oener a dit, est que la réaction de dissociation de l'eau se produisant à l'intérieur de la membrane bipolaire est fondamentalement liée à celle qui se produit sur les surfaces des électrocatalyseurs, comme lorsque les protons sont extraits directement des molécules d'eau lors de la fabrication d'hydrogène dans des conditions de pH basiques.

« Ceci est unique car il n'était pas possible auparavant de séparer les étapes individuelles qui se produisent au cours d'une réaction électrochimique, " dit Oener. " Ils sont tous liés, impliquant des électrons et des intermédiaires, et procéder rapidement en série. L'architecture de la membrane bipolaire nous permet d'isoler l'étape chimique de dissociation de l'eau et de l'étudier de manière isolée."

Cette découverte, il a dit, pourrait également conduire à des électrocatalyseurs améliorés pour les réactions qui produisent directement des carburants réduits à partir de l'eau, comme la fabrication d'hydrogène gazeux ou de carburant liquide à partir de déchets de dioxyde de carbone.

Les découvertes, Boettcher a dit, fournir un modèle mécaniste provisoire, celui qui pourrait ouvrir le champ et motiver beaucoup plus d'études.

« Nous sommes ravis de voir la réponse de la communauté des chercheurs et de voir si ces résultats peuvent être traduits en produits qui réduisent la dépendance de la société aux combustibles fossiles, " il a dit.