Le domaine en développement rapide de l'énergie verte recherche constamment des améliorations, et les progrès récents dans les catalyseurs à deux atomes ont le potentiel de révolutionner les technologies de conversion d'énergie.
Dans la recherche d’alternatives durables aux sources d’énergie basées sur le carbone, le besoin de technologies rapides, efficaces et évolutives est crucial. Les systèmes de séparation de l'eau (WWS), reposant sur des batteries solaires, offrent une solution prometteuse. Cependant, les étapes de réaction complexes et lentes inhérentes aux WWS limitent leur évolutivité pour une utilisation généralisée.
Des chercheurs de l'Institut de Qingdao de bioénergie et de technologie des bioprocédés de l'Académie chinoise des sciences ont recherché une conception améliorée pour augmenter la vitesse et la stabilité des principales demi-réactions nécessaires au fonctionnement des WSS à haut calibre :réactions de réduction de l'oxygène, réactions de dégagement d'oxygène et réactions de dégagement d'hydrogène.
Il s'avère que les catalyseurs à double atome, reliant les catalyseurs à atome unique et les nanoparticules métalliques/alliages, offrent plus de possibilités d'améliorer la cinétique et les performances multifonctionnelles des réactions de réduction/dégagement d'oxygène et de dégagement d'hydrogène.
Leurs résultats ont été publiés dans Nature Communications .
"Les réactions de réduction/dégagement d'oxygène et de dégagement d'hydrogène sont les réactions principales, impliquant des processus de couplage multiproton-électron, qui sont cinétiquement lents, il est donc urgent de développer des matériaux électrocatalytiques efficaces, stables et peu coûteux pour améliorer leur efficacité de conversion", a déclaré Jiang Heqing, auteur correspondant de l'étude.
Les catalyseurs à double atome (DAC), contrairement aux catalyseurs à atome unique (SAC), qui n'ont qu'un seul atome métallique par site actif, jouent un rôle central dans le domaine de la catalyse énergétique en raison de leur activité catalytique multifonctionnelle avantageuse, de leur efficacité d'utilisation atomique plus élevée, et une perturbation plus efficace de la relation linéaire avec les intermédiaires de réaction.
De plus, l'application des SAC aux systèmes de conversion d'énergie limitera considérablement l'efficacité de la conversion d'énergie en raison des barrières de réaction plus élevées.
Les DAC bénéficient de l'effet synergique entre leurs doubles atomes métalliques, permettant une modulation efficace des effets coopératifs entre les deux sites actifs et une réduction substantielle des barrières énergétiques requises pour la réaction.
Compte tenu des avantages des DAC, l'exploration de leur mécanisme de synthèse via des stratégies de frittage à haute température est cruciale pour faire progresser leur préparation et faciliter les applications commerciales.
"Nous avons signalé une nouvelle stratégie d'atomisation/frittage pour synthétiser et ajuster les états de configuration des espèces de cobalt (Co) au niveau atomique, des nanoparticules aux atomes simples en passant par les atomes doubles", a déclaré Huang Minghua, un autre auteur et chercheur qui a contribué à l'étude.
La stratégie d'atomisation/frittage implique la conversion du cobalt en nanoparticules (atomisation), qui sont ensuite utilisées pour former une espèce à un seul atome (SA) et à deux atomes (DA) grâce au processus de frittage.
L’une des caractéristiques les plus impressionnantes de cette stratégie et des résultats de cette recherche réside dans les applications que l’atomisation/frittage peut avoir pour fabriquer 21 autres DAC. Tout cela est dû à l’observation de la façon dont ces DAC se forment via le processus d’atomisation/frittage. Plus il y a de DAC, plus il y a d'opportunités d'explorer d'autres moyens de mieux exploiter l'énergie de manière durable.
Tester les capacités du Co2 à deux atomes N5 dans les batteries zinc-air ont montré des résultats prometteurs. Les batteries Zn-air avaient une stabilité de 800 heures et permettaient une séparation continue de l'eau pendant 1 000 heures à la fois, démontrant le potentiel d'un fonctionnement ininterrompu même pendant la nuit.
Les travaux sur les DAC sont en cours. "Cette stratégie universelle et évolutive offre des opportunités pour la conception contrôlée de catalyseurs multifonctionnels efficaces à double atome dans les technologies de conversion d'énergie", a déclaré Jiang Heqing.
D'autres développements peuvent être réalisés pour continuer à améliorer les capacités des catalyseurs bimétalliques. Voir comment ils fonctionnent dans différentes circonstances peut également être instructif, comme par exemple la manière dont le système de répartition de l'eau gère les températures froides ou l'eau de mer. Placer ces systèmes dans des conditions défavorables peut mettre en évidence des difficultés à résoudre qui peuvent constituer un obstacle à une utilisation à grande échelle ou commerciale.
Plus d'informations : Xingkun Wang et al, Développement d'une classe de matériaux à double atome pour des réactions catalytiques multifonctionnelles, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-42756-8
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
