L'économie future basée sur des sources d'énergie renouvelables et durables pourrait utiliser des voitures à batterie, parcs solaires et éoliens à grande échelle, et les réserves d'énergie stockées dans les batteries et les combustibles chimiques. Bien qu'il existe déjà des exemples de sources d'énergie durables, les percées scientifiques et techniques détermineront le calendrier d'une adoption généralisée.

Un paradigme proposé pour s'éloigner des combustibles fossiles est l'économie de l'hydrogène, dans lequel l'hydrogène gazeux alimente les besoins électriques de la société. Pour produire en masse de l'hydrogène gazeux, certains scientifiques étudient le processus de fractionnement de l'eau (deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène) qui donnerait du carburant à l'hydrogène et de l'oxygène gazeux respirable.

Feng Lin, professeur adjoint de chimie au Virginia Tech College of Science, se concentre sur la recherche sur le stockage et la conversion d'énergie. Ce travail fait partie d'une nouvelle étude publiée dans la revue Catalyse naturelle qui résout une clé, barrière fondamentale dans le processus de séparation électrochimique de l'eau où le Lin Lab démontre une nouvelle technique de remontage, revivifier, et réutiliser un catalyseur qui permet une séparation de l'eau écoénergétique. Chunguang Kuai, un ancien étudiant diplômé de Lin, est le premier auteur de l'étude avec Lin et les co-auteurs des étudiants diplômés en chimie Zhengrui Xu, Anyang Hu, et Zhijie Yang.

L'idée centrale de cette étude remonte à un sujet des cours de chimie générale :les catalyseurs. Ces substances augmentent la vitesse d'une réaction sans être consommées dans le processus chimique. Une façon dont un catalyseur augmente la vitesse de réaction est de diminuer la quantité d'énergie nécessaire pour que la réaction commence.

L'eau peut sembler basique comme une molécule composée de seulement trois atomes, mais le processus de division est assez difficile. Mais le laboratoire de Lin l'a fait. Même déplacer un électron d'un atome stable peut être énergivore, mais cette réaction nécessite le transfert de quatre pour oxyder l'oxygène pour produire de l'oxygène gazeux.

« Dans une cellule électrochimique, le processus de transfert à quatre électrons rendra la réaction assez lente, et nous devons avoir un niveau électrochimique plus élevé pour y arriver, " dit Lin. "Avec une énergie plus élevée nécessaire pour diviser l'eau, l'efficacité à long terme et la stabilité du catalyseur deviennent des défis clés."

Afin de répondre à ce besoin énergétique élevé, le Lin Lab introduit un catalyseur commun appelé hydroxyde mixte de nickel et de fer (MNF) pour abaisser le seuil. Les réactions de fractionnement de l'eau avec MNF fonctionnent bien, mais en raison de la forte réactivité de MNF, il a une courte durée de vie et les performances catalytiques diminuent rapidement.

Lin et son équipe ont découvert une nouvelle technique qui permettrait un remontage périodique à l'état d'origine de MNF, permettant ainsi au processus de fractionnement de l'eau de se poursuivre. (L'équipe a utilisé de l'eau douce dans ses expériences, mais Lin suggère que l'eau salée - la forme d'eau la plus abondante sur Terre - pourrait également fonctionner.)

MNF a une longue histoire avec les études énergétiques. Lorsque Thomas Edison a bricolé des piles il y a plus d'un siècle, il a également utilisé les mêmes éléments de nickel et de fer dans les batteries à base d'hydroxyde de nickel. Edison a observé la formation d'oxygène gazeux dans ses expériences sur l'hydroxyde de nickel, ce qui est mauvais pour une batterie, mais en cas de fractionnement de l'eau, la production d'oxygène gazeux est l'objectif.

"Les scientifiques ont réalisé depuis longtemps que l'ajout de fer dans le réseau d'hydroxyde de nickel est la clé de l'amélioration de la réactivité de la division de l'eau." dit Kuai. "Mais dans les conditions catalytiques, la structure du MNF préconçu est hautement dynamique en raison de l'environnement hautement corrosif de la solution électrolytique."

Au cours des expériences de Lin, Le MNF se dégrade d'une forme solide en ions métalliques dans la solution électrolytique, une limitation clé de ce processus. Mais l'équipe de Lin a observé que lorsque la cellule électrochimique bascule du haut, potentiel électrocatalytique à un faible, potentiel de réduction, juste pour une période de deux minutes, les ions métalliques dissous se réassemblent dans le catalyseur MNF idéal. Cela se produit en raison d'une inversion du gradient de pH dans l'interface entre le catalyseur et la solution électrolytique.

"Pendant le faible potentiel pendant deux minutes, nous avons démontré que nous récupérons non seulement les ions nickel et fer dans l'électrode, mais en les mélangeant très bien ensemble et en créant des sites catalytiques très actifs, " dit Lin. " C'est vraiment excitant, parce que nous reconstruisons les matériaux catalytiques à l'échelle de la longueur atomique dans une interface électrochimique de quelques nanomètres."

Une autre raison pour laquelle la reformation fonctionne si bien est que le Lin Lab a synthétisé de nouvelles MNF sous forme de feuilles minces qui sont plus faciles à réassembler qu'un matériau en vrac.

Validation des résultats par les rayons X

Pour corroborer ces constatations, L'équipe de Lin a effectué des mesures par rayons X synchrotron à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne et à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du laboratoire national de l'accélérateur SLAC. Ces mesures utilisent le même principe de base que la radiographie hospitalière commune, mais à une échelle beaucoup plus grande.

"Nous voulions observer ce qui s'était passé pendant tout ce processus, ", a déclaré Kuai. "Nous pouvons utiliser l'imagerie aux rayons X pour voir littéralement la dissolution et la redéposition de ces fers métalliques afin de fournir une image fondamentale des réactions chimiques."

Les installations de synchrotron nécessitent une boucle massive, similaire à la taille du champ de forage à Virginia Tech, capable d'effectuer la spectroscopie et l'imagerie aux rayons X à grande vitesse. Cela fournit à Lin des niveaux élevés de données dans les conditions de fonctionnement catalytiques. L'étude fournit également des informations sur une gamme d'autres sciences importantes de l'énergie électrochimique, comme la réduction de l'azote, réduction du dioxyde de carbone, et des piles zinc-air.

« Au-delà de l'imagerie, de nombreuses mesures spectroscopiques aux rayons X nous ont permis d'étudier comment les ions métalliques individuels se rassemblent et forment des amas de compositions chimiques différentes, ", a déclaré Lin. "Cela a vraiment ouvert la porte pour sonder les réactions électrochimiques dans des environnements de réaction chimique réels."