"En étudiant comment et pourquoi les appareils utilisant des énergies renouvelables tombent en panne au fil du temps, nous pourrions être en mesure de prolonger leur durée de vie", a déclaré Ivan Moreno-Hernandez, professeur de chimie et auteur principal.
Dans son laboratoire de Duke se trouve une version miniature d'un de ces appareils. Appelé électrolyseur, il sépare l'hydrogène de l'eau, en utilisant l'électricité pour alimenter la réaction.
Lorsque l'électricité nécessaire à l'électrolyse provient de sources renouvelables telles que l'énergie éolienne ou solaire, l'hydrogène gazeux qu'il produit est considéré comme une source prometteuse de carburant propre, car il ne nécessite aucun combustible fossile pour être produit et il brûle sans créer de dioxyde de carbone qui réchauffe la planète. .
Un certain nombre de pays envisagent d'augmenter leur production d'« hydrogène vert » pour contribuer à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles, en particulier dans des industries comme la sidérurgie et la cimenterie.
Mais avant que l'hydrogène puisse se généraliser, certains obstacles majeurs doivent être surmontés.
Une partie du problème vient du fait que les électrolyseurs nécessitent pour fonctionner des catalyseurs à base de métaux rares, et ceux-ci sont sujets à la corrosion. Ils ne sont plus les mêmes après un an de fonctionnement qu'au début.
Dans une étude publiée le 10 avril dans le Journal of the American Chemical Society , Moreno-Hernandez et son doctorat. L'étudiant Avery Vigil a utilisé une technique appelée microscopie électronique à transmission en phase liquide pour étudier les réactions chimiques complexes qui se produisent entre ces catalyseurs et leur environnement et qui provoquent leur désintégration.
Vous vous souvenez peut-être du lycée que pour produire de l’hydrogène gazeux, un électrolyseur divise l’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène qui le constituent. Pour l'étude actuelle, l'équipe s'est concentrée sur un catalyseur appelé dioxyde de ruthénium qui accélère la moitié de la réaction en oxygène, car c'est là le goulot d'étranglement du processus.
"Nous avons essentiellement soumis ces matériaux à un test de résistance", a déclaré Vigil.
Ils ont détruit des nanocristaux de dioxyde de ruthénium avec un rayonnement à haute énergie, puis ont observé les changements provoqués par l'environnement acide à l'intérieur de la cellule.
Pour prendre des photos de ces objets minuscules, ils ont utilisé un microscope électronique à transmission, qui projette un faisceau d'électrons à travers des nanocristaux suspendus à l'intérieur d'une poche de liquide ultra-mince pour créer des images accélérées de la chimie se déroulant à 10 images par seconde. /P>
Le résultat :des gros plans dignes d'un ordinateur de bureau de cristaux de la taille d'un virus, plus de mille fois plus fins qu'un cheveu humain, à mesure qu'ils s'oxydent et se dissolvent dans le liquide acide qui les entoure.
"Nous sommes en mesure de voir le processus de décomposition de ce catalyseur avec une résolution à l'échelle nanométrique", a déclaré Moreno-Hernandez.
En cinq minutes, les cristaux se sont brisés assez rapidement pour "rendre un véritable appareil inutile en quelques heures", a déclaré Vigil.
En zoomant des centaines de milliers de fois, les vidéos révèlent des défauts subtils dans les formes 3D des cristaux qui créent des zones de contrainte, provoquant une dégradation plus rapide de certains que d'autres.
En minimisant ces imperfections, les chercheurs affirment qu'il pourrait un jour être possible de concevoir des dispositifs à énergie renouvelable qui durent deux à trois fois plus longtemps qu'ils ne le font actuellement.
"Ainsi, au lieu d'être stable pendant, disons, deux ans, un électrolyseur pourrait durer six ans. Cela pourrait avoir un impact énorme sur les technologies renouvelables", a déclaré Moreno-Hernandez.
Plus d'informations : S. Avery Vigil et al, Hétérogénéité de dissolution observée dans les nanocristaux de dioxyde de ruthénium anisotrope via la microscopie électronique à transmission en phase liquide, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI : 10.1021/jacs.3c13709
Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society
Fourni par l'Université Duke
