Modèles de représentation de a) un atome de nickel, b) un atome de cobalt, c) un dimère d'atome de nickel-cobalt (NiCO-SAD-NC) et d) des catalyseurs de nanoparticules hétérogènes de nickel-cobalt. Crédit :Institut des sciences fondamentales (William I. Suh)
Le réservoir limité de combustibles fossiles et les menaces toujours croissantes du changement climatique ont encouragé les chercheurs à développer des technologies alternatives pour produire des carburants respectueux de l'environnement. L'hydrogène vert généré par l'électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité renouvelable est considéré comme une source d'énergie renouvelable de nouvelle génération pour l'avenir. Mais en réalité, l'écrasante majorité du carburant hydrogène provient du raffinage des combustibles fossiles en raison du coût élevé de l'électrolyse.
Actuellement, l'efficacité de l'électrolyse de l'eau est limitée et nécessite souvent une tension de cellule élevée en raison du manque d'électrocatalyseurs efficaces pour les réactions de dégagement d'hydrogène. Des métaux nobles tels que le platine (Pt) sont utilisés comme catalyseurs pour améliorer la génération d'hydrogène dans les milieux acides/alcalins. Cependant, ces catalyseurs de métaux nobles sont très coûteux et présentent une faible stabilité en fonctionnement à long terme.
Les catalyseurs à un seul atome présentent des avantages par rapport à leurs homologues à base de nanomatériaux, atteignant jusqu'à 100 % d'utilisation des atomes, alors que seuls les atomes de surface des nanoparticules sont disponibles pour la réaction. Cependant, en raison de la simplicité du centre à un seul atome de métal, il est plutôt difficile de procéder à une modification supplémentaire des catalyseurs pour effectuer des réactions complexes en plusieurs étapes.
Le moyen le plus simple de modifier les atomes simples consiste à les transformer en dimères à un seul atome, qui combinent deux atomes simples différents ensemble. Le réglage du site actif des catalyseurs à un seul atome avec des dimères peut améliorer la cinétique de la réaction grâce à l'effet synergique entre deux atomes différents. Cependant, alors que la synthèse et l'identification de la structure du dimère à un seul atome sont connues sur le plan conceptuel, sa réalisation pratique a été très difficile.
Ce problème a été abordé par une équipe de recherche dirigée par le directeur associé LEE Hyoyoung du Centre de physique intégrée des nanostructures au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) situé à l'Université de Sungkyunkwan. L'équipe de recherche d'IBS a développé avec succès une structure dimère de Ni-Co dispersée atomiquement stabilisée sur un support de carbone dopé à l'azote, qui a été nommée NiCo-SAD-NC.
"Nous avons synthétisé une structure de dimère à un seul atome de Ni-Co sur un support de carbone dopé à l'azote (N) via un piégeage in situ des ions Ni/Co dans la sphère de polydopamine, suivi d'une pyrolyse avec une coordination N contrôlée avec précision. la microscopie électronique à transmission et la spectroscopie d'absorption des rayons X de pointe pour identifier avec succès ces sites NiCo-SAD avec une précision atomique », déclare Ashwani Kumar, le premier auteur de l'étude.
Le diagramme schématique du processus de réaction de dégagement d'hydrogène (HER) utilisant NiCo-SAD stabilisé sur du carbone dopé N (à gauche). Activité HER dans les milieux alcalins (en haut à droite) et acides (en bas à droite). Crédit :Institut des sciences fondamentales
Les chercheurs ont trouvé qu'un recuit de deux heures à 800°C sous atmosphère d'argon était la meilleure condition pour obtenir la structure dimère. D'autres dimères à un seul atome, tels que CoMn et CoFe, pourraient également être synthétisés en utilisant la même méthode, ce qui prouve la généralité de leur stratégie.
L'équipe de recherche a évalué l'efficacité catalytique de ce nouveau système en termes de surpotentiel nécessaire pour conduire la réaction de dégagement d'hydrogène. L'électrocatalyseur NiCo-SAD-NC avait un niveau de surtension comparable à celui des catalyseurs commerciaux à base de Pt dans des milieux acides et alcalins. NiCo-SAD-NC a également montré une activité huit fois plus élevée que les catalyseurs à un seul atome Ni/Co et les nanoparticules de NiCo hétérogènes en milieu alcalin. Dans le même temps, il a atteint respectivement une activité 17 et 11 fois plus élevée que les catalyseurs à un seul atome de Co et Ni, et 13 fois plus élevée que les nanoparticules Ni/Co classiques en milieu acide.
De plus, les chercheurs ont démontré la stabilité à long terme du nouveau catalyseur, capable de conduire une réaction pendant 50 heures sans aucun changement de structure. Le NiCo-SAD a présenté une dissociation de l'eau supérieure et une adsorption optimale des protons par rapport aux autres dimères à un seul atome et aux sites à un seul atome de Ni/Co, stimulant l'activité du catalyseur pH-universel basé sur la simulation de la théorie fonctionnelle de la densité.
"Nous étions très heureux de découvrir que la nouvelle structure NiCo-SAD dissocie les molécules d'eau avec une barrière d'énergie beaucoup plus faible et accélère la réaction d'évolution de l'hydrogène dans les milieux alcalins et acides avec des performances comparables à celles du Pt, qui a résolu les lacunes du Ni individuel. et catalyseurs à un seul atome de Co. La synthèse d'une telle structure de dimère à un seul atome était un défi de longue date dans le domaine des catalyseurs à un seul atome », note le directeur associé Lee, l'auteur correspondant de l'étude.
Il explique en outre :"Cette étude nous rapproche d'une économie de l'hydrogène verte et sans carbone. Cet électrocatalyseur de génération d'hydrogène très efficace et peu coûteux nous aidera à surmonter les défis à long terme de la production d'hydrogène vert à des prix compétitifs :produire de l'hydrogène à haute hydrogène de pureté pour des applications commerciales à bas prix et de manière écologique."
L'étude a été publiée dans Nature Communications . Un nouveau catalyseur à un seul atome peut produire de l'hydrogène à partir d'urée à un rythme exceptionnel
