Les détails de leurs découvertes ont été publiés dans le Journal of Materials Chemistry A. le 1er mai 2024.

L’hydrogène, surnommé « carburant du futur », offre de nombreux avantages dans la transition vers une économie bas carbone. Sa polyvalence permet des applications dans plusieurs secteurs, y compris les transports, où les piles à combustible à hydrogène peuvent alimenter les véhicules, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre et atténuant le changement climatique. Cependant, des défis importants persistent dans l'électrocatalyse de l'oxygène, entravant le développement de techniques à grande échelle pour la production et l'utilisation de l'hydrogène basées sur l'électricité verte.

L’un des défis de longue date est le recours à des catalyseurs PGM coûteux pour piloter l’électrocatalyse de l’oxygène. En réponse à ces défis, les chercheurs se sont tournés vers les catalyseurs M-N-C comme alternative prometteuse.

Les rapports de la dernière décennie ont montré que les catalyseurs MNC, dopés avec des éléments métalliques abondants sur terre comme les métaux 3D, offrent des performances polyvalentes en électrocatalyse à l'oxygène, certaines comparables aux catalyseurs PGM. Pourtant, les mécanismes exacts derrière leurs activités électrocatalytiques restent manquants; des facteurs clés tels que le potentiel de charge nulle (PZC) et les effets de solvatation ont été négligés dans les études précédentes.

• .

• 

"Nous sommes à un point critique dans les technologies énergétiques durables", déclare Di Zhang, professeur adjoint à l'Institut avancé de recherche sur les matériaux de l'Université de Tohoku et co-auteur de l'article. "Comprendre les facteurs qui influencent les performances des catalyseurs M-N-C est essentiel pour l'innovation dans la production et l'utilisation de l'hydrogène."

Zhang et ses collègues ont révélé que les PZC et les effets de solvatation jouent un rôle central dans les activités dépendantes du pH, ayant un impact significatif sur l'énergétique des réactions.

En effectuant un échantillonnage à grande échelle via des calculs de dynamique moléculaire ab initio et de théorie fonctionnelle de la densité, les chercheurs ont analysé douze configurations MNC distinctes avec des modèles de solvatation explicites. Ils ont observé des variations substantielles dans les PZC et les effets de solvatation en fonction des structures du catalyseur, des types de métaux et des configurations de l'azote.

"Nos résultats soulignent l'importance de prendre en compte le PZC et les effets de solvatation dans la modélisation microcinétique", ajoute Zhang. "Ces connaissances sont cruciales pour la conception rationnelle de catalyseurs M-N-C hautes performances, accélérant ainsi le développement de technologies durables liées à l'hydrogène."