Autobus à pile à hydrogène AC Transit. Crédit :Eric Fischer.
Les inquiétudes concernant l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et le réchauffement climatique ont rendu un impératif environnemental de remplacer les combustibles fossiles par des alternatives plus propres et plus durables. À cet égard, l'hydrogène, source d'énergie propre, s'est imposé comme un excellent candidat potentiel.
Parmi les nombreuses méthodes disponibles pour la génération d'hydrogène, la séparation de l'eau à l'aide d'électricité en présence d'un catalyseur - ou séparation électrocatalytique de l'eau, comme on l'appelle - est la plus propre. Malheureusement, le procédé nécessite des catalyseurs de métaux nobles coûteux et rares, tels que le platine, pour maintenir une efficacité raisonnable. Ceci, à son tour, a limité ses applications industrielles à grande échelle.
Une option relativement peu coûteuse est les catalyseurs à base de métaux de transition, tels que les oxydes, les sulfures, les hydroxydes de cobalt, de nickel, de fer, etc. Cependant, il y a un hic :la séparation électrocatalytique de l'eau consiste en deux demi-réactions, à savoir la réaction de dégagement d'hydrogène ( HER) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER). Dans l'OER, les molécules d'eau sont oxydées pour former de l'oxygène et des ions hydrogène positifs à l'anode (électrode chargée positivement). Les ions hydrogène se déplacent ensuite à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode (l'électrode chargée négativement), où ils sont réduits pour produire de l'hydrogène (HER). Il s'avère que la plupart des catalyseurs à base de métaux de transition rapportés jusqu'à présent ne peuvent catalyser que HER ou OER. Cela rend la configuration compliquée et le coût global plus élevé.
Dans ce contexte, des chercheurs de l'Université Chung-Ang en Corée ont développé, dans une nouvelle étude, un nouveau catalyseur hétérostructuré composé de sulfure de cobalt creux (CoSx ) et des nanofeuilles de double hydroxyde (LDH) en couches de nickel-fer (NiFe) qui stimulent simultanément les deux demi-réactions. Cet article a été mis en ligne le 15 mars 2022 et a été publié dans le Volume 18 Numéro 16 de la revue Small le 16 avril 2022.
"Une stratégie raisonnable pour fabriquer des catalyseurs hautement efficaces pour la séparation de l'eau consiste à intégrer de manière élaborée des catalyseurs NiFe LDH et HER actifs dans une hétérostructure", explique le professeur adjoint Seung-Keun Park, qui a dirigé l'étude. "Compte tenu de leur grande surface et de leur structure ouverte, les catalyseurs HER creux sont considérés comme idéaux pour ce travail. Il s'avère que les cadres métallo-organiques (MOF) sont un précurseur efficace pour la fabrication de structures creuses. Cependant, un catalyseur creux à base de MOF avec NiFe LDH n'a pas été rapporté jusqu'à présent."
En conséquence, les chercheurs ont déposé électrochimiquement des nanofeuilles de NiFe LDH de manière contrôlée sur la surface de CoSx creux nanoréseaux supportés sur de la mousse de nickel. "L'intégration d'un catalyseur HER actif, CoSx et un catalyseur OER, NiFe LDH, garantit une activité catalytique bifonctionnelle supérieure », déclare le Dr Park.
Et en effet, le catalyseur était capable de fournir de manière constante une densité de courant élevée de 1 000 mA cm -2 dans les deux demi-réactions à basse tension de cellule, ce qui suggère sa faisabilité pour les applications de séparation de l'eau à l'échelle industrielle. Les chercheurs ont attribué cela à la présence de nombreux sites actifs sur l'hétérostructure du catalyseur, qui ont permis la pénétration de l'électrolyte et la libération de gaz pendant les réactions. De plus, un électrolyseur basé sur ce catalyseur a démontré une densité de courant élevée de 300 mA cm -2 à basse tension de cellule et une durabilité de 100 heures dans la séparation globale de l'eau.
« Les propriétés électrocatalytiques améliorées de notre catalyseur sont probablement dues à son hétérostructure hiérarchique unique et à la synergie entre ses composants. Nous pensons que nos travaux nous permettront de faire un pas de plus vers la réalisation d'une société à zéro émission », déclare le Dr Park. Nanofeuilles tridimensionnelles dopées au Mn comme électrocatalyseurs efficaces pour la séparation de l'eau alcaline
