Les anodes pour la division électrolytique de l'eau sont généralement des matériaux à base d'iridium. Afin d'augmenter la stabilité du catalyseur à l'iridium, une équipe de HZB et un groupe de HI-ERN ont maintenant produit ce que l'on appelle une bibliothèque de matériaux :un échantillon dans lequel la concentration d'oxydes d'iridium et de titane varie systématiquement.
Les analyses des segments d'échantillon individuels chez BESSY II dans le laboratoire EMIL ont montré que la présence d'oxydes de titane peut augmenter considérablement la stabilité du catalyseur à l'iridium.
Une option pour stocker l’énergie du soleil ou du vent est la production d’hydrogène « vert » par électrolyse. L’hydrogène stocke l’énergie sous forme chimique et la restitue lorsqu’il est brûlé, ne produisant aucun gaz d’échappement, seulement de l’eau. Aujourd’hui, l’iridium est le catalyseur de pointe pour cette réaction. Cependant, l'iridium se dissout de plus en plus dans l'environnement acide de la cellule d'électrolyse, de sorte que l'effet catalytique diminue rapidement.
"Nous voulions étudier si la stabilité du catalyseur pouvait être améliorée en ajoutant différentes proportions d'oxyde de titane", explique le professeur Marcus Bär (HZB). Bien que l’oxyde de titane ne soit pas catalytiquement actif, il est très stable. "Nous avions des indications selon lesquelles la présence d'oxyde de titane aurait un effet positif sur la stabilité sans influencer l'effet catalytique de l'iridium. Mais nous voulions également savoir s'il existait un rapport de mélange idéal."
L'échantillon a été produit à l'Institut Helmholtz d'Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables (HI-ERN) par l'équipe du professeur Olga Kasian en pulvérisant du titane et de l'iridium avec des compositions variant localement. Il s'agit d'une bibliothèque de matériaux dite en couches minces sur laquelle la teneur en iridium varie de 20% à 70%
Chez BESSY II ; l'équipe a utilisé des méthodes spectroscopiques à rayons X pour analyser comment la structure chimique change en fonction de la teneur en iridium des échantillons mixtes d'iridium et d'oxyde de titane. Plusieurs effets ont joué ici un rôle :par exemple, la présence de sous-oxydes de titane (tels que TiO et TiOx ) a amélioré la conductivité du matériau.
Un autre résultat intéressant est que certains oxydes de titane se dissolvent plus rapidement dans l’électrolyte aqueux que l’iridium, créant ainsi des micropores à la surface. Cela a favorisé la réaction de dégagement d'oxygène car davantage d'atomes d'iridium des couches inférieures sont entrés en contact avec l'électrolyte.
Cependant, l'effet principal est que les oxydes de titane (TiO2 , ainsi que TiO et TiOx ) réduisent considérablement la dissolution de l'iridium. "Dans l'échantillon contenant 30 % de titane ajouté, par rapport à un matériau d'électrode en iridium pur, nous avons constaté une résolution en iridium environ 70 % inférieure", explique Marianne van der Merwe, qui a effectué les mesures dans le cadre de son doctorat avec Marcus Bär.
Mais quelle est la pertinence de ces résultats issus de la recherche en laboratoire pour l’industrie ? "S'il existe des technologies déjà établies, il est toujours difficile de changer quoi que ce soit au début", explique Marcus Bär. "Mais ici, nous montrons comment la stabilité des anodes peut être considérablement augmentée avec un effort gérable."
L'étude est publiée dans la revue ACS Catalysis .
Plus d'informations : Marianne van der Merwe et al, Les propriétés chimiques et électroniques des catalyseurs de réaction d'évolution de l'oxygène mixte Ir-TiOx à stabilité améliorée, Catalyse ACS (2023). DOI :10.1021/acscatal.3c02948
Informations sur le journal : Catalyse ACS
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
