La transition des combustibles fossiles vers une économie propre à l'hydrogène nécessitera des moyens moins coûteux et plus efficaces d'utiliser des sources d'électricité renouvelables pour transformer l'eau en hydrogène et en oxygène.

Mais une étape clé dans ce processus, connue sous le nom de réaction de dégagement d'oxygène ou OER, s'est avéré être un goulot d'étranglement. Aujourd'hui, il n'est efficace qu'à environ 75 %, et les catalyseurs de métaux précieux utilisés pour accélérer la réaction, comme le platine et l'iridium, sont rares et chers.

Aujourd'hui, une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy a développé une suite d'outils avancés pour briser ce goulot d'étranglement et améliorer d'autres processus liés à l'énergie, comme trouver des moyens d'accélérer la charge des batteries lithium-ion. L'équipe de recherche a décrit son travail dans Nature aujourd'hui.

Travailler à Stanford, SLAC, Le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE et l'Université de Warwick au Royaume-Uni, ils ont pu zoomer sur des nanoparticules de catalyseur individuelles - en forme de minuscules plaques et environ 200 fois plus petites qu'un globule rouge - et les regarder accélérer la génération d'oxygène à l'intérieur de cellules électrochimiques sur mesure, dont un qui tient dans une goutte d'eau.

Ils ont découvert que la majeure partie de l'activité catalytique avait lieu sur les bords des particules, et ils ont pu observer les interactions chimiques entre la particule et l'électrolyte environnant à une échelle de milliardièmes de mètre alors qu'ils augmentaient la tension pour entraîner la réaction.

En combinant leurs observations avec des travaux de calcul antérieurs effectués en collaboration avec le SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis au SLAC et à Stanford, ils ont pu identifier une seule étape dans la réaction qui limite la vitesse à laquelle elle peut se dérouler.

"Cette suite de méthodes peut nous dire où, quoi et pourquoi de la façon dont ces matériaux électrocatalytiques fonctionnent dans des conditions de fonctionnement réalistes, " a déclaré Tyler Mefford, un scientifique du personnel de Stanford et du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC qui a dirigé la recherche. « Maintenant que nous avons expliqué comment utiliser cette plate-forme, les applications sont extrêmement larges."

Passer à une économie de l'hydrogène

L'idée d'utiliser l'électricité pour décomposer l'eau en oxygène et en hydrogène remonte à 1800, lorsque deux chercheurs britanniques ont découvert qu'ils pouvaient utiliser le courant électrique généré par la pile à piles nouvellement inventée par Alessandro Volta pour alimenter la réaction.

Ce processus, appelé électrolyse, fonctionne un peu comme une batterie à l'envers :plutôt que de générer de l'électricité, il utilise le courant électrique pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Les réactions qui génèrent de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux ont lieu sur différentes électrodes utilisant différents catalyseurs de métaux précieux.

L'hydrogène gazeux est une matière première chimique importante pour la production d'ammoniac et le raffinage de l'acier, et est de plus en plus ciblé comme carburant propre pour les transports lourds et le stockage d'énergie à long terme. Mais plus de 95% de l'hydrogène produit aujourd'hui provient du gaz naturel via des réactions qui émettent du dioxyde de carbone comme sous-produit. Générer de l'hydrogène par électrolyse de l'eau entraînée par l'électricité solaire, vent, et d'autres sources durables réduiraient considérablement les émissions de carbone dans un certain nombre d'industries importantes.

Mais pour produire du carburant hydrogène à partir de l'eau à une échelle suffisamment grande pour alimenter une économie verte, les scientifiques devront rendre l'autre moitié de la réaction de séparation de l'eau - celle qui génère de l'oxygène - beaucoup plus efficace, et trouver des moyens de le faire fonctionner avec des catalyseurs à base de métaux beaucoup moins chers et plus abondants que ceux utilisés aujourd'hui.

"Il n'y a pas assez de métaux précieux dans le monde pour alimenter cette réaction à l'échelle dont nous avons besoin, " Mefford a dit, "et leur coût est si élevé que l'hydrogène qu'ils génèrent ne pourrait jamais rivaliser avec l'hydrogène dérivé de combustibles fossiles."

L'amélioration du processus nécessitera une bien meilleure compréhension du fonctionnement des catalyseurs de fractionnement de l'eau, suffisamment de détails pour que les scientifiques puissent prédire ce qui peut être fait pour les améliorer. Jusqu'à maintenant, bon nombre des meilleures techniques pour faire ces observations n'ont pas fonctionné dans l'environnement liquide d'un réacteur électrocatalytique.

Dans cette étude, les scientifiques ont trouvé plusieurs moyens de contourner ces limitations et d'obtenir une image plus précise que jamais.

De nouvelles façons d'espionner les catalyseurs

Le catalyseur qu'ils ont choisi d'étudier était l'oxyhydroxyde de cobalt, qui se présentait sous forme d'appartement, cristaux à six faces appelés nanoplaquettes. Les bords étaient tranchants et extrêmement fins, il serait donc facile de distinguer si une réaction se produisait sur les bords ou sur la surface plane.

Il y a une dizaine d'années, Le groupe de recherche de Patrick Unwin à l'Université de Warwick avait inventé une nouvelle technique pour placer une cellule électrochimique miniature à l'intérieur d'une gouttelette à l'échelle nanométrique qui dépasse de la pointe d'un tube de pipette. Lorsque la gouttelette est mise en contact avec une surface, l'appareil image la topographie de la surface et les courants électroniques et ioniques à très haute résolution.

Pour cette étude, L'équipe d'Unwin a adapté ce minuscule appareil pour qu'il fonctionne dans l'environnement chimique de la réaction de dégagement d'oxygène. Les chercheurs postdoctoraux Minkyung Kang et Cameron Bentley l'ont déplacé d'un endroit à l'autre sur la surface d'une seule particule de catalyseur au fur et à mesure de la réaction.

"Notre technique nous permet de zoomer pour étudier des régions de réactivité extrêmement petites, " dit Kang, qui a mené les expériences là-bas. "Nous examinons la génération d'oxygène à une échelle plus de cent millions de fois plus petite que les techniques habituelles."

Ils ont découvert que, comme c'est souvent le cas pour les matériaux catalytiques, seuls les bords favorisaient activement la réaction, suggérant que les futurs catalyseurs devraient maximiser ce type de trait mince.

Pendant ce temps, Le chercheur de Stanford et du SIMES, Andrew Akbashev, a utilisé la microscopie électrochimique à force atomique pour déterminer et visualiser exactement comment le catalyseur a changé de forme et de taille pendant le fonctionnement, et a découvert que les réactions qui ont initialement fait passer le catalyseur à son état actif étaient très différentes de ce qui avait été supposé auparavant. Plutôt que des protons quittant le catalyseur pour lancer l'activation, les ions hydroxyde s'insèrent d'abord dans le catalyseur, formation d'eau à l'intérieur de la particule qui l'a fait gonfler. Au fur et à mesure du processus d'activation, cette eau et les protons résiduels ont été chassés.

Dans une troisième série d'expériences, l'équipe a travaillé avec David Shapiro et Young-Sang Yu à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab et avec une société de Washington, Colibri scientifique, pour développer une cellule d'écoulement électrochimique qui pourrait être intégrée dans un microscope à rayons X à transmission à balayage. Cela leur a permis de cartographier l'état d'oxydation du catalyseur de travail, un état chimique associé à l'activité catalytique, dans des zones aussi petites qu'environ 50 nanomètres de diamètre.

« Nous pouvons maintenant commencer à appliquer les techniques que nous avons développées dans ce travail à d'autres matériaux et procédés électrochimiques, " a déclaré Mefford. "Nous aimerions également étudier d'autres réactions liées à l'énergie, comme la charge rapide dans les électrodes de batterie, réduction du dioxyde de carbone pour la capture du carbone, et la réduction de l'oxygène, qui nous permet d'utiliser l'hydrogène dans les piles à combustible.