La crise imminente des énergies fossiles et les graves problèmes environnementaux et climatiques appellent de toute urgence des systèmes énergétiques durables et des technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération. Au lieu d'un "cycle du carbone" traditionnel basé sur les énergies fossiles, le « cycle de l'hydrogène » a émergé et peut être une alternative prometteuse. Avec un dispositif de séparation d'eau, H2 peut être produit à partir de l'eau par l'électricité ou l'énergie solaire, et l'énergie se transforme entre l'énergie électrique/solaire et chimique dans les batteries rechargeables. Cependant, la question centrale du fractionnement de l'eau, réaction de dégagement d'oxygène (OER) (4OH ^- -> 2H 2 O + O 2 + 4e ^- , à la base), est une demi-réaction cinétiquement lente, ce qui nécessite une surtension élevée et freine le développement du fractionnement de l'eau.

Récemment, un groupe de recherche de Chine, dirigé par le professeur Qiang Zhang à l'Université Tsinghua, a développé un nouveau composite graphène/hydroxyde métallique avec une activité de dégagement d'oxygène supérieure. Ce travail est publié dans la revue Matériaux avancés .

D'une part, le graphène est un matériau qui présente une conductivité électrique ultra-élevée, grande surface, et des structures 3D accordables, ce qui est excellent pour l'électrocatalyse hétérogène. Cependant, l'activité intrinsèque du graphène est indésirable. D'autre part, hydroxydes doubles en couches NiFe (NiFe LDH), avec une activité catalytique remarquable, haute stabilité, caractères bénins abondants sur terre et environnementaux, sont considérés comme les catalyseurs de métaux non précieux les plus prometteurs.

"Par conséquent, le contrôle fin de l'hybridation NiFe LDH dans un substrat de graphène spécifique pour obtenir une surface active électrochimique (ECSA) augmentée, sites actifs entièrement exposés, et une jonction interfaciale optimale est le sujet récent le plus prometteur vers une catalyse supérieure de l'évolution de l'oxygène et une application pratique, " dit le professeur Qiang Zhang.

Dans ce travail, l'architecture des composites graphène/NiFe LDH s'inspire de la structure hiérarchique de la grenade. En utilisant un cadre de graphène mésoporeux dopé à l'azote comme substrat pour la croissance et la décoration in situ des LDH NiFe, les LDH résultantes présentent une nanotaille et une dispersion uniformes, et un couple interfacial fort avec le substrat conducteur.

"Le problème le plus important pour la fabrication du matériau est la stratégie de croissance assistée par topologie et spatialement confinée en raison du graphène." dit Cheng Tang, le premier auteur de cet ouvrage. "Le dopant d'azote et les défauts induits par la topologie du graphène contribuent à l'adsorption et à l'ancrage des cations métalliques, puis les mésopores dans le plan du graphène servent de nano-réacteurs pour la nucléation et la croissance spatialement confinées des LDH NiFe, rendant ainsi une forte affinité et une dispersion uniforme du NiFe LDH nanométrique tel que cultivé dans le cadre de graphène mésoporeux. »

« Cette structure hiérarchique optimise l'hybridation entre les LDH NiFe et le graphène, » note le professeur Zhang. « Il en résulte des canaux mésoporeux, autoroute électronique interconnectée, couplage interfacial intime, agrégation de particules refoulées, et des sites actifs entièrement exposés."

D'autres mesures de catalyse révèlent que ce matériau surpasse les catalyseurs Ir/C commerciaux et rivalise favorablement avec les meilleures alternatives signalées pour la catalyse OER haute performance avec une pente de Tafel remarquablement faible (~45 mV déc. ^-1 ), une surtension considérablement diminuée (~337 mV requis pour 10 mA cm ^-2 ), et une durabilité améliorée en 0,10 M KOH.

Le professeur Zhang et son équipe rapportent que l'excellente performance est due à l'effet synergique de deux composants idéaux et également aux caractéristiques de structure uniques de ce nouvel hybride. Aller de l'avant, ils prévoient d'étudier et d'optimiser la composition et la structure de ce type d'hybride, et pour déterminer les relations structure-propriété et le mécanisme catalytique sous-jacent.

« Je pense que ce complexe fortement couplé a diverses applications telles que la catalyse hétérogène, capteurs, conversion et stockage d'énergie, et alors oh, . " dit le professeur Zhang. " Et plus important encore, la stratégie de conception et de fabrication assistée par topologie ouvre de nouvelles voies et met en lumière une nouvelle branche des matériaux et hybrides nano-architecturés avancés. »