Une nouvelle façon d'ancrer des atomes d'iridium individuels à la surface d'un catalyseur a augmenté son efficacité dans la division des molécules d'eau à des niveaux records, des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont rapporté aujourd'hui.

C'était la première fois que cette approche était appliquée à la réaction de dégagement d'oxygène, ou REL – partie d'un processus appelé électrolyse qui utilise l'électricité pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Si alimenté par des sources d'énergie renouvelables, l'électrolyse pourrait produire des carburants et des matières premières chimiques de manière plus durable et réduire l'utilisation de combustibles fossiles. Mais le rythme lent des REL a été un goulot d'étranglement pour améliorer son efficacité afin qu'il puisse être compétitif sur le marché libre.

Les résultats de cette étude pourraient atténuer le goulot d'étranglement et ouvrir de nouvelles voies pour observer et comprendre comment ces centres catalytiques à un seul atome fonctionnent dans des conditions de travail réalistes, l'équipe de recherche a déclaré.

Ils ont publié leurs résultats aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Backbones industriels

Les catalyseurs sont l'épine dorsale de l'industrie chimique et promettent un avenir énergétique durable. Comme des entremetteurs, ils attrapent les molécules d'un flux de liquide ou de gaz passant et les incitent à réagir les unes avec les autres, sans être eux-mêmes consumés. Afin de maximiser l'efficacité de ce processus, les nanoparticules de catalyseur sont généralement dispersées à la surface d'un matériau poreux qui offre la plus grande surface possible pour que de nombreuses réactions se déroulent simultanément.

Mais seuls les atomes à l'extérieur d'une nanoparticule peuvent participer à la catalyse; les intérieurs se perdent. Lorsque le catalyseur est un métal précieux cher comme l'iridium ou le platine, même une petite quantité de déchets coûte cher. Les scientifiques ont donc travaillé sur l'utilisation d'atomes individuels de ces métaux précieux à la place. Chaque atome est un centre de réaction catalytique. Leur petite taille signifie que beaucoup plus d'entre eux peuvent s'adapter à la surface d'une structure de support donnée. Cela augmente considérablement la quantité de catalyseur actif qui est exposée aux réactifs et le nombre de réactions qui peuvent avoir lieu à la fois, augmenter l'efficacité.

Dans cette étude, une équipe dirigée par le professeur Yi Cui du SLAC/Stanford et le scientifique du SLAC Michal Bajdich ont développé une nouvelle façon d'ancrer des atomes d'iridium individuels sur une surface de support. Les chercheurs postdoctoraux de Stanford Xueli Zheng et Jing Tang ont mené l'expérience, aidé par la simulation théorique des données de rayons X du scientifique associé du SLAC, Alessandro Gallo, qui a révélé quelle configuration serait la plus stable et la plus efficace.

Ancrage atome par atome

Pour fabriquer le nouveau catalyseur, les chercheurs ont d'abord fabriqué une structure poreuse pour supporter les atomes d'iridium qui catalyseraient la réaction.

Ils ont exposé cette structure en mousse à une solution contenant des composés d'iridium, rapidement congelé pour créer un mince, couche de glace riche en iridium à la surface, et a effectué un traitement supplémentaire pour créer des sites bien répartis où les atomes d'iridium individuels étaient parfaitement ancrés sur la surface de support.

Les observations aux rayons X du catalyseur au travail ont révélé que les atomes d'iridium étaient dans un état chimique qui les rend exceptionnellement efficaces pour effectuer la partie de la réaction de séparation de l'eau qui libère de l'oxygène.

D'autres tests ont montré que cette activité accrue était entièrement due au fait que l'iridium était sous la forme d'un seul, atomes isolés, et pas seulement à la grande surface sur laquelle ils étaient encastrés.

Le catalyseur obtenu est meilleur que la plupart des catalyseurs à base d'iridium connus à ce jour, les chercheurs ont rapporté. Ils ont déclaré que ce nouveau système d'ancrage atomique fournit un modèle idéal pour sonder et établir la connexion entre les catalyseurs et leurs structures de support pour une variété de réactions électrocatalytiques.