La production efficace en masse d'hydrogène à partir de l'eau est sur le point de devenir une réalité grâce aux chercheurs et aux collaborateurs de l'Oregon State University College of Engineering de l'Université Cornell et du Laboratoire national d'Argonne.

Les scientifiques ont utilisé des outils expérimentaux avancés pour mieux comprendre un processus catalytique électrochimique plus propre et plus durable que la production d'hydrogène à partir de gaz naturel.

Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

L'hydrogène se trouve dans un large éventail de composés sur Terre, se combinant le plus souvent avec de l'oxygène pour produire de l'eau, et il a de nombreux scientifiques, rôles industriels et énergétiques. Il se présente également sous forme d'hydrocarbures, des composés constitués d'hydrogène et de carbone tels que le méthane, le composant principal du gaz naturel.

"La production d'hydrogène est importante pour de nombreux aspects de notre vie, comme les piles à combustible pour les voitures et la fabrication de nombreux produits chimiques utiles tels que l'ammoniac, " a déclaré Zhenxing Feng de l'État de l'Oregon, un professeur de génie chimique qui a dirigé l'étude. "Il est également utilisé dans le raffinage des métaux, pour la production de matériaux synthétiques tels que les plastiques et à d'autres fins.

Selon le ministère de l'Énergie, les États-Unis produisent la majeure partie de leur hydrogène à partir d'une source de méthane telle que le gaz naturel via une technique connue sous le nom de reformage à la vapeur-méthane. Le procédé consiste à soumettre du méthane à de la vapeur sous pression en présence d'un catalyseur, créer une réaction qui produit de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, ainsi qu'une petite quantité de dioxyde de carbone.

L'étape suivante est appelée réaction de conversion eau-gaz dans laquelle le monoxyde de carbone et la vapeur réagissent via un catalyseur différent, faire du dioxyde de carbone et de l'hydrogène supplémentaire. Dans la dernière étape, adsorption modulée en pression, le dioxyde de carbone et les autres impuretés sont éliminés, laissant derrière lui de l'hydrogène pur.

« Par rapport au reformage du gaz naturel, l'utilisation d'électricité issue de sources renouvelables pour séparer l'eau en hydrogène est plus propre et plus durable, " dit Feng. " Cependant, l'efficacité de la séparation de l'eau est faible, principalement en raison de la surtension élevée - la différence entre le potentiel réel et le potentiel théorique d'une réaction électrochimique - d'une demi-réaction clé dans le processus, la réaction de dégagement d'oxygène ou OER."

Une demi-réaction est l'une des deux parties d'un redox, ou réduction-oxydation, réaction dans laquelle des électrons sont transférés entre deux réactifs; la réduction fait référence au gain d'électrons, l'oxydation signifie perdre des électrons.

Le concept de demi-réactions est souvent utilisé pour décrire ce qui se passe dans une cellule électrochimique, et les demi-réactions sont couramment utilisées pour équilibrer les réactions redox. La surtension est la marge entre la tension théorique et la tension réelle nécessaire pour provoquer l'électrolyse, une réaction chimique entraînée par l'application de courant électrique.

« Les électrocatalyseurs sont essentiels pour favoriser la réaction de séparation de l'eau en abaissant la surtension, mais développer des électrocatalyseurs performants est loin d'être simple, " a déclaré Feng. " L'un des principaux obstacles est le manque d'informations concernant l'évolution de la structure des électrocatalyseurs au cours des opérations électrochimiques. Comprendre l'évolution structurelle et chimique de l'électrocatalyseur au cours de l'OER est essentiel pour développer des matériaux électrocatalyseurs de haute qualité et, à son tour, durabilité énergétique."

Feng et ses collaborateurs ont utilisé un ensemble d'outils de caractérisation avancés pour étudier l'évolution de la structure atomique d'un électrocatalyseur OER de pointe, iridate de strontium (SrIrO 3 ), en électrolyte acide.

"Nous voulions comprendre l'origine de son activité record pour l'OER-1, 000 fois plus élevé que le catalyseur commercial commun, oxyde d'iridium, " a déclaré Feng. "En utilisant des installations de rayons X basées sur le synchrotron à Argonne et la spectroscopie photoélectronique à rayons X en laboratoire sur le site de l'infrastructure de nanotechnologie du Nord-Ouest à l'OSU, nous avons observé la transformation chimique de surface et cristalline en amorphe de SrIrO 3 pendant les REL."

Les observations ont conduit à une compréhension approfondie de ce qui se passait derrière la capacité de l'iridate de strontium à fonctionner si bien en tant que catalyseur.

"Notre détail, la découverte à l'échelle atomique explique comment la couche d'iridate de strontium active se forme sur l'iridate de strontium et souligne le rôle critique de l'activation de l'oxygène du réseau et de la diffusion ionique couplée sur la formation des unités OER actives, " il a dit.

Feng a ajouté que le travail donne un aperçu de la façon dont le potentiel appliqué facilite la formation des couches amorphes fonctionnelles à l'interface électrochimique et conduit à des possibilités de conception de meilleurs catalyseurs.