(Phys.org) —Le rêve d'une économie de l'hydrogène—un monde fonctionnant au H 2 gaz, exempt de la pollution et de la politique des combustibles fossiles - peut dépendre de l'élaboration d'une stratégie écoénergétique pour diviser l'eau en oxygène et en hydrogène. Le problème est que les liaisons hydriques sont très stables, nécessitant des apports d'énergie lourds pour casser. Les scientifiques développent avec impatience des catalyseurs pour réduire les demandes d'énergie, et donc le coût, de H 2 production. Encore, ils ont encore du mal avec les bases, telles que les propriétés structurelles qui font un bon catalyseur de fractionnement de l'eau.

À l'aide des mesures de la ligne de lumière 10-ID-B de l'équipe d'accès collaboratif de la recherche sur les matériaux (MR-CAT) et de la division X-ray Science 12-ID-C, Ligne de lumière D à la source de photons avancée (APS) du ministère de l'Énergie des États-Unis, les chercheurs ont analysé la stabilité et la composition de trois petits amas de palladium-Pd 4 , PD 6 , et Pd 17 — qui sont à l'étude en tant que catalyseurs potentiels de séparation de l'eau. Ils ont ensuite généré des modèles structurels des catalyseurs. En combinant des informations sur l'identité et la structure de chaque cluster avec son activité catalytique, les chercheurs ont identifié une liaison Pd-Pd particulière qui semble être essentielle pour la fonction catalytique. Cette recherche permettra aux scientifiques de concevoir de meilleurs catalyseurs de séparation de l'eau.

La séparation électrochimique de l'eau se produit dans deux réactions distinctes :la réaction de dégagement d'hydrogène (HER), et la réaction de dégagement d'oxygène (OER). Dans cette étude, les chercheurs, du Laboratoire National d'Argonne, l'Université de Birmingham (Royaume-Uni), et l'Université de Yale axée sur les REL, qui est actuellement la partie la moins efficace du processus de fractionnement de l'eau. Des études antérieures ont montré que le platine métal peut catalyser les REL, mais ces matériaux nécessitent une charge élevée du métal coûteux, généralement présentes sous forme de grosses nanoparticules.

A la recherche de plus économiques, plus économe en énergie, et des options plus actives, l'étude actuelle se concentre sur les catalyseurs au palladium avec des tailles inférieures au nanomètre.

Typiquement, les catalyseurs métalliques sont étalés un peu au hasard sur les surfaces de support, résultant en des distributions inconnues d'atomes isolés, groupes, et des particules plus grosses. Pour cette étude, les chercheurs ont isolé des amas de taille spécifique en envoyant un faisceau moléculaire d'ions palladium à travers un spectromètre de masse, filtrage de toutes les tailles de particules à l'exception des clusters d'intérêt :Pd 4 , PD 6 , et Pd 17 . Les grappes ont ensuite été immédiatement déposées, séparément, sur une électrode constituée d'une plaquette de silicium recouverte d'un film mince de nanodiamant (première figure).

Pour tester les prouesses catalytiques des petits amas de palladium, les cathodes ont été trempées, à mi-chemin, en une solution basique, qui est le support standard utilisé dans les REL. Puis, les chercheurs ont effectué une voltamétrie, en utilisant le courant comme mesure du taux de renouvellement de la réaction REL. Le courant généré par la cathode contenant du Pd 4 clusters n'était pas mieux, et peut-être un peu pire, que l'électrode seule. Cependant, le Pd 6 et Pd 17 les grappes ont montré une activité importante, avec des taux de renouvellement supérieurs à ceux des travaux antérieurs sur les surfaces métalliques Pd et comparables à ceux de l'iridium, le catalyseur métallique le plus actif pour les REL.

L'étape suivante consistait à caractériser les échantillons de grappes. Les chercheurs ont apporté à l'APS les mêmes électrodes enrobées de grappes utilisées dans les études de voltamétrie pour la caractérisation par spectroscopie d'absorption des rayons X à incidence rasante (GIXAS) sur la ligne de lumière 10-ID-B et par diffusion de rayons X aux petits angles à incidence rasante (GISAXS) à ligne de lumière 12-ID-C, RÉ.

Une observation importante était que les amas immergés semblent pratiquement identiques à ceux qui n'ont pas été soumis à la réaction d'oxydation de l'eau, suggérant que ni la catalyse ni l'environnement de base sévère n'ont modifié la structure des clusters. Cette stabilité est la clé du développement de catalyseurs durables. Les états d'oxydation mesurés du Pd 4 et Pd 6 clusters a été utilisé dans les calculs fonctionnels de densité qui ont déterminé, pour chaque grappe, les configurations structurelles (deuxième figure) ainsi que l'énergie libre pour chaque étape de l'OER.

Les calculs théoriques effectués à l'aide du cluster de calcul haute performance du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne suggèrent que les sites de pontage Pd-Pd sont actifs pour la réaction de dégagement d'oxygène (OER) dans le Pd 6 O 6 . Globalement, un descripteur clé pour un catalyseur OER Pd efficace est un équilibrage des différences d'énergie de liaison par rapport à l'eau liquide pour chacun des intermédiaires de réaction importants (O, OH, et OOH). Pour ces clusters Pd, OOH est plus fortement lié que les autres espèces, entraînant la surtension observée. Le progiciel de théorie fonctionnelle de la densité VASP a été utilisé pour obtenir cette compréhension du mécanisme, et les structures en grappes ont été obtenues à l'aide de l'algorithme génétique de grappe de Birmingham.

Les chercheurs ont conclu que la différence pertinente entre les clusters était la présence de liaisons Pd-Pd particulières dans les deux plus grands clusters, mais pas dans le plus petit cluster. Ils soupçonnent que cette liaison peut être nécessaire pour la catalyse des REL, suggérant que les surfaces catalytiques peuvent être entravées par des espèces inactives. L'espoir est que, avec la connaissance de ce qui constitue une espèce active, les chercheurs peuvent se concentrer sur la fabrication de catalyseurs de division de l'eau en utilisant uniquement les meilleurs clusters.