L'électrolyse est un processus qui utilise l'électricité pour créer des molécules d'hydrogène et d'oxygène à partir de l'eau. L’utilisation de membranes échangeuses de protons (PEM) et d’énergies renouvelables pour l’électrolyse de l’eau est largement considérée comme une méthode durable de production d’hydrogène. Cependant, un défi dans l'avancement de la technologie d'électrolyse de l'eau PEM est le manque de catalyseurs efficaces, peu coûteux et stables pour la réaction de dégagement d'oxygène (REL) dans les solutions acides pendant l'électrolyse de l'eau PEM.
Bien que les catalyseurs à base d’iridium constituent une solution potentielle, l’iridium métallique est rare et coûteux par nature. Alternativement, les oxydes de ruthénium (RuO2 ) offrent une option plus abordable et réactive, mais ils souffrent également de problèmes de stabilité. Par conséquent, les chercheurs explorent des moyens d’améliorer la stabilité du RuO2 structure pour développer des catalyseurs REL prometteurs pour la mise en œuvre réussie de la technologie de production d'hydrogène.
Or, dans une étude récente publiée dans le Journal of Energy Chemistry , un groupe de chercheurs, dirigé par le professeur Haeseong Jang du Département de génie des matériaux avancés de l'Université de Chung-Ang, a développé un catalyseur REL prometteur.
Noté SA Zn-RuO2 , le catalyseur comprend du RuO2 stabilisé par des atomes uniques de zinc. Élaborant sur leur étude, le professeur Jang déclare :« Nous avons été motivés par la nécessité de trouver des électrocatalyseurs alternatifs efficaces et rentables pour les REL dans l'électrolyse de l'eau PEM. Sur la base de notre étude, nous proposons une stratégie de double ingénierie impliquant le dopage d'un seul atome de Zn. et l'introduction de lacunes en oxygène pour équilibrer une activité catalytique élevée avec la stabilité pendant les REL acides."
Les chercheurs ont synthétisé SA Zn-RuO2 en chauffant une structure organique avec des atomes de ruthénium (Ru) et de zinc, formant une structure avec des lacunes d'oxygène (atomes d'oxygène manquants qui modifient positivement les propriétés) et des liaisons Zn-O-Ru.
Ces liaisons stabilisent le catalyseur de deux manières :en renforçant les liaisons Ru-O et en fournissant des électrons provenant des atomes de zinc pour protéger le ruthénium de la suroxydation pendant le processus REL. De plus, l'environnement électronique amélioré autour des atomes de ruthénium réduit les énergies nécessaires pour que les molécules adhèrent à la surface, abaissant ainsi la barrière énergétique de la réaction.
Le catalyseur résultant était plus stable, sans baisse apparente de réactivité, et surpassait considérablement les performances du RuO2 commercial. . De plus, il nécessitait moins d'énergie supplémentaire (faible surtension de 213 mV contre 270 mV pour le RuO2 commercial. ) et est resté fonctionnel pendant une période plus longue (43 heures contre 7,4 heures pour le RuO2 commercial ).
En raison de sa stabilité et de ses fonctionnalités améliorées, le nouveau SA Zn-RuO2 Le catalyseur a le potentiel d’influencer le développement d’électrocatalyseurs rentables, actifs et résistants aux acides pour les REL. Cela, à son tour, pourrait contribuer à réduire les coûts et à améliorer la production d'hydrogène vert, contribuant ainsi à une transition vers des sources d'énergie plus propres et aux progrès des technologies durables.
« Nous pensons que ce changement peut révolutionner les industries, les transports et les infrastructures énergétiques et contribuer aux efforts visant à lutter contre le changement climatique et à favoriser un avenir plus résilient et plus respectueux de l'environnement. En effet, l'hydrogène vert accessible peut avoir un impact transformateur sur les sociétés en atténuant impacts environnementaux, création d'emplois et garantie de la sécurité énergétique grâce à des solutions énergétiques diversifiées et durables", explique le professeur Jang.
En résumé, le RuO2 hautement réactif et catalytiquement stable Le catalyseur pour les REL acides a une durabilité accrue et des caractéristiques favorables et offre un potentiel pour guider la conception d'électrocatalyseurs REL sans iridium robustes et actifs pour des applications pratiques.
Plus d'informations : Qing Qin et al, Réglage de la structure électronique de RuO2 par des lacunes d'un seul atome de Zn et d'oxygène pour stimuler la réaction de dégagement d'oxygène en milieu acide, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI :10.1016/j.jechem.2023.09.010
Fourni par l'Université Chung Ang
