Les recherches récentes sur la tâche exigeante du développement de catalyseurs pour la production d'hydrogène ont réalisé des progrès substantiels.

Le professeur Yong-Tae Kim du Département de science et d'ingénierie des matériaux et de l'Institut universitaire de technologie des matériaux ferreux et écologiques, et Kyu-Su Kim, doctorant du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH ), a collaboré à un projet de recherche qui offre une direction prometteuse pour le développement futur de catalyseurs pour l'électrolyse de l'eau.

Leur étude a été présentée comme article de couverture dans ACS Catalysis. .

L’électrolyse de l’eau, une méthode de production d’hydrogène à partir de l’abondante ressource qu’est l’eau, apparaît comme une technologie respectueuse de l’environnement qui ne produit aucune émission de dioxyde de carbone. Cependant, ce procédé est confronté à des limites en raison de sa dépendance à l'égard de catalyseurs à base de métaux précieux tels que l'iridium (Ir), ce qui le rend économiquement irréalisable. Les chercheurs explorent activement le développement de catalyseurs sous forme d'alliages métalliques pour relever ce défi.

Dans le domaine de la recherche sur la catalyse par électrolyse de l’eau, les principaux catalyseurs examinés sont l’iridium, le ruthénium (Ru) et l’osmium (Os). L'iridium, malgré sa grande stabilité, présente une faible activité et son prix est élevé. À l'inverse, le ruthénium affiche une activité louable et constitue une option plus rentable que l'iridium, bien qu'il n'ait pas le même niveau de stabilité.

L'osmium, quant à lui, se dissout facilement dans diverses conditions électrochimiques, conduisant à la formation de nanostructures avec une surface active électrochimique élargie, améliorant ainsi l'activité géométrique.

Initialement, l’équipe de recherche a développé des catalyseurs utilisant à la fois l’iridium et le ruthénium. En combinant ces métaux, ils ont réussi à préserver les excellentes propriétés de chacun, ce qui a donné naissance à des catalyseurs qui ont démontré des améliorations en termes d'activité et de stabilité. Les catalyseurs incorporant de l’osmium présentaient une activité élevée en raison de l’augmentation de la surface active électrochimique obtenue grâce à la formation de nanostructures. Ces catalyseurs ont conservé les propriétés avantageuses de l'iridium et du ruthénium.

Par la suite, l’équipe a élargi son expérimentation pour inclure les trois métaux. Les résultats ont montré une augmentation modérée de l'activité, mais la dissolution de l'osmium a eu un effet néfaste, compromettant considérablement l'intégrité structurelle de l'iridium et du ruthénium. Dans cette série, l'agglomération et la corrosion des nanostructures ont été accélérées, entraînant une baisse de l'équilibre des performances catalytiques.

Sur la base de ces résultats, l’équipe de recherche a proposé plusieurs pistes pour poursuivre les recherches sur les catalyseurs. Avant tout, ils soulignent la nécessité de disposer d’une métrique capable d’évaluer simultanément l’activité et la stabilité. Cette mesure, connue sous le nom de facteur de stabilité d'activité, a été initialement introduite par le groupe de recherche de Kim en 2017.

De plus, l’équipe préconise le maintien des propriétés supérieures du catalyseur même après la formation de nanostructures, afin d’améliorer la surface active électrochimique de l’électrocatalyseur. Ils soulignent également l’importance de sélectionner soigneusement les matériaux candidats capables d’établir une synergie efficace lorsqu’ils sont alliés à d’autres métaux. L'essence de cette étude ne consiste pas à présenter des résultats spécifiques tels que le développement de nouveaux catalyseurs, mais plutôt à proposer des considérations essentielles pour la conception de catalyseurs.

Le professeur Yong-Tae Kim, qui a dirigé la recherche, a déclaré :« Cette recherche marque le début de notre voyage, pas la conclusion. » Il a partagé sa vision en déclarant :"Nous nous engageons au développement continu de catalyseurs d'électrolyse de l'eau efficaces, sur la base des connaissances acquises grâce à cette recherche."

Plus d'informations : Kyu-Su Kim et al, Détérioration de l'équilibre entre activité et stabilité via l'incorporation de Ru dans des nanostructures d'évolution de l'oxygène à base d'Ir, Catalyse ACS (2023). DOI :10.1021/acscatal.3c01497

Informations sur le journal : Catalyse ACS

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Pohang