Les chercheurs ont peut-être rapproché l'avenir des énergies renouvelables. Une nouvelle électrode peut accomplir la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) dans des conditions acides, rendre la technologie à la fois moins chère et plus efficace. Le processus est aidé par une forme intelligente de graphène.

L'électrolyse de l'eau en hydrogène est vitale pour le stockage de l'énergie dans une économie verte. L'un des obstacles majeurs, cependant, est le coût élevé des électrodes en métal noble. Les non-nobles moins chers fonctionnent, mais principalement dans des conditions alcalines, où la réaction est gourmande en électricité; la réaction en phase acide plus efficace nécessite des métaux de base rares tels que le platine. Pire encore, les électrolytes acides sont corrosifs et rongent le métal du noyau.

Maintenant, des chercheurs dirigés par l'Université de Tsukuba ont découvert que le graphène « troué » offre un moyen de contourner ce problème. Ils ont utilisé des feuilles de graphène dopé à l'azote pour encapsuler un alliage d'électrode nickel-molybdène (NiMo). Surtout, le graphène a été percé de trous de taille nanométrique, comme une passoire. Dans une étude en Catalyse ACS , ils ont montré que dans des conditions acides, le nouveau système HER surpasse considérablement une électrode utilisant du graphène non troué ordinaire.

L'utilisation du graphène dans les électrodes HER n'est pas nouvelle - ce flexible, La feuille de carbone conductrice est idéale pour s'enrouler autour du noyau métallique. Cependant, tout en protégeant le métal contre la corrosion, le graphène supprime également son activité chimique. Dans le nouveau système Tsukuba, les trous très importants favorisent la réaction de deux manières, tandis que la partie intacte en graphène protège le métal.

"Nous avons créé des trous en décorant la surface NiMo avec des nanoparticules de silice, " explique le co-auteur de l'étude Kailong Hu. " Ensuite, lorsque nous avons déposé la couche de graphène, des lacunes ont été laissées au niveau des positions des nanoparticules - comme une œuvre d'art en relief. En réalité, les trous sont plus que de simples interstices – ils sont entourés de crêtes chimiquement actives appelées « franges ». Techniquement, ces franges sont des défauts de structure, mais ils dirigent la chimie de l'électrode."

Par rapport au graphène normal, les franges sont plus hydrophiles. Cela attire l'hydronium (H3O+) dans la solution acide, qui joue un rôle crucial dans l'un des deux mécanismes HER. Les franges sont également excellentes pour adsorber les atomes H simples, qui fournit une surface supplémentaire pour l'autre processus HER important. Par conséquent, H2 est produit aussi efficacement que sur une électrode Pt/C conventionnelle (mais chère). Pendant ce temps, la partie non trouée du graphène retarde la dissolution du catalyseur métallique dans l'acide.

"Il s'agit d'un nouveau concept polyvalent pour les électrodes d'évolution de l'hydrogène, ", explique l'auteur principal Yoshikazu Ito. "L'objectif est de minimiser la surtension nécessaire à la réaction. Par conséquent, il n'est pas limité à un catalyseur particulier. Nous avons adapté notre couche de graphène troué spécifiquement au NiMo en optimisant la taille et le nombre de trous. Ce qui est impressionnant, c'est que le catalyseur était encore stable dans l'acide, malgré les trous. À l'avenir, le graphène troué pourrait être adapté à une gamme de métaux, pousser l'efficacité de la production d'hydrogène vers une adoption à grande échelle. »