Facilement produit, les nanostructures de type naturel de phosphure de cobalt sont des catalyseurs très efficaces pour l'électrolyse de l'eau, selon les recherches effectuées par le chimiste Ning Yan et son équipe de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam avec des collègues de l'École de physique et de technologie de l'Université de Wuhan, Chine. Dans un article figurant sur la couverture du Journal de la chimie des matériaux A , ils décrivent comment des méthodes de dépôt électrochimique relativement simples produisent de l'herbe, feuille-, et des nanostructures en forme de fleur qui portent la promesse d'une production efficace d'hydrogène.

Pour préparer des nanostructures, Les approches descendantes telles que la lithographie sont depuis longtemps courantes. Cela s'est avéré très utile dans la fabrication de semi-conducteurs, mais pour des applications plus dédiées, cela prend du temps et n'est pas particulièrement rentable. Comme alternative, de nombreux chercheurs explorent la synthèse ascendante des nanostructures, par exemple, basé sur l'auto-assemblage de molécules ou de blocs de construction à l'échelle nanométrique. Cependant, la maîtrise de la géométrie nécessite souvent des additifs et tensioactifs coûteux, rendant la préparation de matériaux à grande échelle assez difficile.

Comme alternative, Professeur adjoint Ning Yan, avec son doctorat. les étudiants Jasper Biemolt et Pieter Laan de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam, ont maintenant exploré une méthode relativement simple d'électrodéposition d'hydroxyde de cobalt. En coopération avec des chercheurs de l'École de physique et de technologie de l'Université de Wuhan, Chine, ils ont pu concevoir et préparer une variété de nano-architectures qui ressemblent à divers éléments d'un jardin :terre, choux, graminées, fleurs, et feuilles.

Les chercheurs rapportent qu'ils ont maîtrisé le système de telle manière qu'ils sont capables de développer n'importe laquelle de ces structures à volonté.

Ajoutant à cela, ils ont pu rendre les nanostructures catalytiquement actives par une simple procédure de phosphidation. Les nanostructures de phosphure de cobalt résultantes présentent une activité catalytique bifonctionnelle dans la séparation électrolytique de l'eau, améliorant à la fois les réactions de génération d'hydrogène et d'oxygène.

Nanostructures hiérarchiques par synthèse contrôlée

Ning Yan et ses collègues ont fait pousser leurs nanojardins sur un tissu composé de fibres de carbone d'environ 10 micromètres de diamètre, un matériau d'électrode courant dans les industries des piles à combustible et des électrolyseurs. Le jardinage a commencé par le dépôt d'une couche de « terre » en encapsulant hydrothermiquement les fibres avec une couche dense d'hydroxyde de cobalt. Cette couche a augmenté la stabilité structurelle des nanostructures. Par variation de la concentration ionique et de la température, ils ont pu induire la "germination" de caractéristiques herbacées qui sont fortement "enracinées" dans le sol.

Ces graminées ont une longueur moyenne de 1,5 µm et une épaisseur d'environ 100 nm. Pour ajouter des fleurs et des feuilles aux éléments herbeux, les chercheurs ont appliqué une méthode d'électrodéposition. Dans une solution diluée, l'électrodéposition provient principalement de la pointe de la tige de l'herbe, où le petit rayon de courbure entraîne une densité de charge d'espace plus élevée. Dans des solutions plus concentrées, l'électrodéposition procède principalement du bas des tiges. Cela se traduit par le dépôt de caractéristiques « feuillues », qui sont en fait des structures de dépôt dendritiques entrelacées.

Après conversion des nanostructures d'hydroxyde de cobalt en phosphure de cobalt par phosphuration, les chercheurs ont évalué leur activité catalytique dans un cadre qui représentait de manière adéquate les conditions pertinentes sur le plan industriel. Comme ça s'est apparu, la performance du catalyseur dans un environnement acide est parmi les meilleurs catalyseurs de métaux non précieux supérieurs d'aujourd'hui pour le dégagement d'hydrogène. Par ailleurs, dans des conditions acides, alcalines et neutres, les nanocaractéristiques fleuries ont entraîné des fréquences de renouvellement significativement plus grandes que les caractéristiques feuillues, en particulier à des surtensions plus élevées lorsque l'évolution de l'hydrogène est influencée par les limitations du transport de masse. Les chercheurs attribuent cela à la géométrie des nanocaractéristiques où les fleurs permettent un déchargement plus fluide de l'hydrogène. Cependant, les différents environnements réactionnels aux positions supérieure et inférieure des nanostructures se complètent, résultant en des performances globales optimales.

Finalement, dans des expériences d'électrolyse sur le fractionnement de l'eau, les chercheurs ont montré que leurs nanojardins catalysent non seulement la réaction de dégagement d'hydrogène, mais également le dégagement d'oxygène. Cette activité bifonctionnelle a été démontrée en utilisant une configuration symétrique à deux électrodes avec des nanojardins complètement identiques à l'anode et à la cathode. L'équipe étudiera plus en détail l'utilisation des électrons pour contrôler la croissance des nanocristaux dans une synthèse de matériaux « électrifiés » qui est prometteuse pour un avenir durable.