Pour améliorer les performances des oxydes de spinelle, une compréhension plus approfondie de la façon dont ils fonctionnent comme catalyseurs pour rendre l'électrolyse de l'eau plus efficace est nécessaire. En identifiant les paramètres qui font des oxydes de spinelle de bons catalyseurs pour ce procédé, l'équipe dirigée par NTU peut maintenant créer de nouveaux, de meilleurs oxydes de spinelle en fonction de ces paramètres, nous rapprochant un peu plus d'une économie alimentée à l'hydrogène. Crédit :NTU Singapour
Une équipe de scientifiques dirigée par l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) ont découvert les paramètres qui déterminent l'efficacité d'une classe de catalyseurs à faible coût appelés oxydes de spinelle - une découverte qui brise un goulot d'étranglement dans l'extraction d'hydrogène de l'eau par électrolyse, le processus de séparation de l'eau avec l'électricité.
Un défi majeur de ce procédé réside dans la perte d'énergie lors des réactions chimiques impliquées dans l'électrolyse de l'eau, augmenter le coût de production de l'hydrogène par cette méthode. Des catalyseurs sont donc nécessaires pour accélérer ces réactions chimiques.
Oxydes de spinelle, qui sont généralement constitués de métaux de transition bon marché, ont suscité l'intérêt ces dernières années en tant qu'écurie, catalyseur à faible coût qui pourrait surmonter ce défi, mais la conception d'oxydes de spinelle hautes performances a été entravée par le manque de compréhension de leur fonctionnement.
Maintenant, Le professeur agrégé de NTU Singapour, Jason Xu Zhichuan, et son équipe ont réalisé deux avancées importantes. Ils se sont démêlés, à l'échelle atomique, comment les oxydes de spinelle agissent pour accélérer l'électrolyse de l'eau. Amorcé par cette nouvelle compréhension, l'équipe a ensuite utilisé l'apprentissage automatique pour sélectionner de nouveaux oxydes de spinelle avec une activité catalytique accrue, rendre l'électrolyse de l'eau plus efficace.
Ces découvertes rapprochent l'équipe de la transformation de l'eau en une approche appropriée pour la fabrication à grande échelle d'hydrogène gazeux, qui a été soulignée par l'Energy Market Authority comme une alternative possible à faible émission de carbone pour réduire l'empreinte carbone de Singapour alors qu'elle vise à réduire de moitié ses émissions maximales de gaz à effet de serre d'ici 2050. Ceci est conforme aux tendances mondiales - l'Union européenne, par exemple, a récemment dévoilé sa stratégie hydrogène comme un élément important de la solution pour atteindre l'objectif de neutralité climatique 2050 du Green Deal européen.
Le professeur agrégé Xu de la NTU School of Materials Sciences and Engineering a déclaré :« Pour améliorer les performances des oxydes de spinelle, nous devons mieux comprendre comment ils fonctionnent comme catalyseurs pour rendre l'électrolyse de l'eau plus efficace. Maintenant, en identifiant les paramètres qui font des oxydes de spinelle de bons catalyseurs pour ce procédé, nous pouvons créer de nouveaux, de meilleurs oxydes de spinelle en fonction de ces paramètres, nous rapprochant un peu plus d'une économie alimentée à l'hydrogène."
Les résultats ont été publiés dans une revue scientifique Catalyse naturelle en juillet.
Un pas de plus vers une économie à l'hydrogène
Extraire l'hydrogène de l'électrolyse de l'eau, lorsqu'il est alimenté par des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne ou solaire, est une approche attrayante pour produire de l'hydrogène carburant, qui a le potentiel de remplacer les combustibles fossiles utilisés dans les centrales électriques, transport, et le processus de soutage.
L'hydrogène est également intéressant en tant qu'alternative viable aux options de stockage d'énergie traditionnelles telles que les batteries lithium-ion, qui perdent progressivement leur charge au fil du temps.
Le processus d'électrolyse de l'eau a lieu dans un électrolyseur, où deux réactions chimiques principales ont lieu lors de la séparation de l'eau :l'une aboutit à la production d'hydrogène, tandis que l'autre conduit à la production d'oxygène, et les deux gaz sont maintenus séparés par une membrane.
Assoc Prof Xu, qui fait également partie de l'Institut de recherche sur l'énergie de NTU, a déclaré que le principal goulot d'étranglement réside dans la réaction chimique qui conduit à la génération d'oxygène de l'autre côté, connue sous le nom de réaction de révolution de l'oxygène.
Il a déclaré:"La réaction de dégagement d'oxygène est essentielle à l'efficacité des dispositifs qui divisent l'eau pour produire de l'hydrogène combustible, mais c'est aussi une réaction chimique lente qui réduit l'efficacité globale de conversion d'énergie. C'est pourquoi nous avons besoin de catalyseurs tels que les oxydes métalliques pour accélérer les choses."
Alors que les oxydes de métaux précieux se sont avérés être des catalyseurs de pointe qui réduisent la consommation d'énergie et améliorent l'efficacité de la conversion d'énergie, leur rareté, leur coût élevé et leur faible durabilité ont limité leur application à grande échelle.
Oxydes de spinelle, avec leur faible coût et leur disponibilité en abondance, pourraient devenir une alternative viable s'ils étaient conçus avec les bons paramètres, tels que le type de métal de transition dans l'oxyde de spinelle, augmenter l'activité catalytique, a déclaré le professeur Assoc Xu.
Sur la base des paramètres clés que l'équipe avait identifiés, l'équipe a formé un modèle d'apprentissage automatique avec un ensemble de données de plus de 300 oxydes de spinelle afin de cribler et de prédire l'efficacité de tout catalyseur d'oxyde de spinelle en quelques secondes.
En utilisant cette méthode, l'équipe a découvert qu'un nouvel oxyde comprenant du manganèse et de l'aluminium devrait présenter une activité catalytique supérieure. Ceci a été validé expérimentalement.
Assoc Prof Xu a déclaré:"Alors que la capacité de concevoir des catalyseurs hautement efficaces fait considérablement progresser la technique de l'électrolyse de l'eau dans la production d'hydrogène, il y a deux autres goulots d'étranglement majeurs que nous devons examiner avant que l'adoption généralisée de cette technique soit possible. Premièrement, nous devons améliorer la membrane de ces électrolyseurs alcalins pour soutenir la production d'hydrogène à long terme. Quand c'est fait, Ensuite, nous pouvons travailler avec nos collègues ingénieurs pour voir comment nous pouvons mettre toutes ces améliorations dans un électrolyseur qui peut fonctionner à un niveau industriel. »