Lorsque l'hydrogène est consommé dans une pile à combustible, qui prend la molécule d'eau H 2 O et le sépare en oxygène et hydrogène, un processus appelé électrolyse, il ne produit que de l'eau, électricité et chauffage. En tant que source d'énergie zéro carbone, la gamme de son utilisation potentielle est illimitée dans le transport, commercial, industriel, applications résidentielles et portables.

Alors que les procédés traditionnels de production d'hydrogène nécessitaient des combustibles fossiles ou du CO 2 , l'électrolyse produit de l'« hydrogène vert » à partir des molécules d'eau. Étant donné que l'eau ne peut pas être divisée en hydrogène et oxygène par elle-même, la conversion électrochimique hydrogène-eau nécessite des électrocatalyseurs hautement actifs. L'électrolyse conventionnelle de l'eau, cependant, fait face à des défis technologiques pour améliorer l'efficacité de la réaction de séparation de l'eau pour la réaction lente de dégagement d'oxygène. Oxyde de ruthénium à base de métal noble (RuO 2 ) et l'oxyde d'iridium (IrO 2 ) sont utilisés pour augmenter le taux de génération d'oxygène. Cependant, ces catalyseurs à base de métaux nobles sont coûteux et présentent une faible stabilité en fonctionnement à long terme.

Dirigé par le directeur associé LEE Hyoyoung du Center for Integrated Nanostructure Physics au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) situé à l'Université Sungkyunkwan, l'équipe de recherche d'IBS a développé un électrocatalyseur hautement efficace et durable pour l'oxydation de l'eau à l'aide de cobalt, fer et une quantité minimale de ruthénium.

"Nous avons utilisé des copolymères séquencés amphiphiles pour contrôler l'attraction électrostatique dans notre alliage bimétallique atome de ruthénium (Ru). Les copolymères facilitent la synthèse d'amas sphériques de molécules d'hydrocarbures dont les segments solubles et insolubles forment le noyau et la coque. Dans cette étude, leur tendance à une structure chimique unique permet la synthèse de l'alliage de Ru atomique unique à haute performance présent au sommet du composite métallique stable de cobalt-fer (Co-Fe) entouré de poreux, coque carbone défectueuse et graphitique, " dit LEE Jinsun et Kumar Ashwani, les co-premiers auteurs de l'étude.

« Nous étions très heureux de découvrir que l'oxygène de surface pré-adsorbé sur la surface de l'alliage Co-Fe, absorbé pendant le processus de synthèse, stabilise l'un des intermédiaires importants (OOH) pendant la réaction de génération d'oxygène, augmenter l'efficacité globale de la réaction catalytique. L'oxygène de surface pré-absorbé a été de peu d'intérêt jusqu'à notre découverte, " dit le directeur associé Lee, l'auteur correspondant de l'étude. Les chercheurs ont découvert qu'un recuit de quatre heures à 750 degrés C dans une atmosphère d'argon est la condition la plus appropriée pour le processus de génération d'oxygène. En plus de l'environnement favorable à la réaction sur la surface métallique hôte, l'unique atome de Ru, où la génération d'oxygène a lieu, remplit également son rôle en abaissant la barrière énergétique, améliorant de manière synergique l'efficacité du dégagement d'oxygène.

L'équipe de recherche a évalué l'efficacité catalytique avec les mesures de surtension nécessaires à la réaction de dégagement d'oxygène. L'électrocatalyseur noble avancé n'a nécessité qu'une surtension de 180 mV (millivolts) pour atteindre une densité de courant de 10 mA (milliampères) par cm ² de catalyseur, tandis que l'oxyde de ruthénium nécessitait 298 mV. En outre, l'alliage bimétallique atome de Ru unique a montré une stabilité à long terme pendant 100 heures sans aucun changement de structure. Par ailleurs, l'alliage de cobalt et de fer avec du carbone graphitique a également compensé la conductivité électrique et amélioré le taux de dégagement d'oxygène.

Le directeur associé Lee dit :"Cette étude nous rapproche un peu plus d'un système sans carbone, économie verte de l'hydrogène. Cet électrocatalyseur de génération d'oxygène très efficace et peu coûteux nous aidera à surmonter les défis à long terme du processus de raffinage des combustibles fossiles :produire de l'hydrogène de haute pureté pour des applications commerciales à bas prix et de manière écologique. »

L'étude a été publiée en ligne le 4 novembre dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .