L’énergie hydrogène est devenue une alternative prometteuse aux combustibles fossiles, offrant une source d’énergie propre et durable. Cependant, le développement de catalyseurs efficaces et peu coûteux pour la réaction de dégagement d'hydrogène reste un défi.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la City University de Hong Kong (CityU) a récemment développé une nouvelle stratégie pour concevoir des catalyseurs à nanofeuilles ultraminces stables et efficaces en formant des structures de Turing avec plusieurs cristaux nanotwin. Cette découverte innovante ouvre la voie à des performances améliorées des catalyseurs pour la production d'hydrogène vert.
L'article, intitulé "Structure de Turing avec plusieurs nanotwins pour concevoir des catalyseurs efficaces et stables pour la réaction de dégagement d'hydrogène" est publié dans Nature Communications. .
La production d’hydrogène par le processus d’électrolyse de l’eau avec des émissions nettes de carbone nulles est l’un des processus de production d’hydrogène propre. Alors que les nanomatériaux de faible dimension présentant des défauts ou des modifications de contrainte contrôlables sont apparus comme électrocatalyseurs actifs pour la conversion et l'utilisation de l'hydrogène et de l'énergie, la stabilité insuffisante de ces matériaux en raison de la dégradation structurelle spontanée et de la relaxation des contraintes conduit à une dégradation de leurs performances catalytiques.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par le professeur Lu Jian, doyen du College of Engineering de CityU et directeur de la branche de Hong Kong du National Precious Metal Material Engineering Research Center, a récemment développé une stratégie pionnière de structuration de Turing qui non seulement active mais stabilise également les catalyseurs grâce à l'introduction de cristaux nanotwin de haute densité. Cette approche résout efficacement le problème d'instabilité associé aux matériaux de faible dimension dans les systèmes catalytiques, permettant une production d'hydrogène efficace et durable.
Les modèles de Turing, connus sous le nom de modèles stationnaires spatio-temporels, sont largement observés dans les systèmes biologiques et chimiques, tels que la coloration régulière de la surface des coquillages. Le mécanisme de ces formations de motifs est lié à la théorie de réaction-diffusion proposée par Alan Turing, un célèbre mathématicien anglais considéré comme l'un des pères de l'informatique moderne, dans laquelle l'activateur avec un coefficient de diffusion plus petit induit une croissance préférentielle locale.
"Dans des recherches antérieures, la fabrication de matériaux de faible dimension s'est principalement concentrée sur les contrôles structurels à des fins fonctionnelles, avec peu de considérations sur les contrôles spatio-temporels", a déclaré le professeur Lu.
"Cependant, les modèles de Turing dans les nanomatériaux peuvent être obtenus par la croissance anisotrope des nanograins des matériaux. Une telle symétrie de réseau brisée a des implications cristallographiques cruciales pour la croissance de configurations spécifiques, telles que les matériaux bidimensionnels (2D) avec des jumelages et des ruptures intrinsèques. symétrie. Nous avons donc voulu explorer l'application de la théorie de Turing sur la croissance des nanocatalyseurs et les relations avec les défauts cristallographiques. "
Dans cette recherche, l’équipe a utilisé une approche en deux étapes pour créer des nanofeuilles ultra fines de platine-nickel-niobium (PtNiNb) avec des bandes ressemblant topologiquement à des motifs de Turing. Ces structures de Turing sur des nanofeuilles ont été formées grâce à l'attachement d'orientation contrainte de nanograins, ce qui a donné lieu à un réseau nanotwin intrinsèquement stable et à haute densité qui a agi comme des stabilisateurs structurels empêchant la dégradation structurelle spontanée et la relaxation des contraintes.
De plus, les modèles de Turing ont généré des effets de déformation du réseau qui réduisent la barrière énergétique de dissociation de l'eau et optimisent l'énergie libre d'adsorption d'hydrogène pour la réaction de dégagement d'hydrogène, améliorant ainsi l'activité des catalyseurs et offrant une stabilité exceptionnelle. La surface de la structure nanométrique de Turing présente un grand nombre d'interfaces jumelles, ce qui en fait également un matériau exceptionnellement bien adapté aux applications dominées par les interfaces, en particulier la catalyse électrochimique.
Dans les expériences, les chercheurs ont démontré le potentiel du nanocatalyseur Turing PtNiNb nouvellement inventé en tant que catalyseur stable de dégagement d'hydrogène avec une efficacité exceptionnelle. Il a permis d'obtenir des augmentations de l'activité de masse et de l'indice de stabilité de 23,5 et 3,1 fois, respectivement, par rapport au Pt/C commercial de 20 %. Électrolyseur d'eau à membrane échangeuse d'anions à base de PtNiNb de Turing avec une faible charge massique en platine (Pt) de 0,05 mg cm −2 était également extrêmement fiable, puisqu'il pouvait atteindre 500 heures de stabilité à 1 000 mAcm −2 .
"Nos principales découvertes fournissent des informations précieuses sur l'activation et la stabilisation de matériaux catalytiques de faibles dimensions. Elles présentent un nouveau paradigme pour améliorer les performances des catalyseurs", a déclaré le professeur Lu. "La stratégie d'optimisation de la structure de Turing aborde non seulement le problème de la dégradation de la stabilité dans les matériaux de faible dimension, mais constitue également une approche polyvalente d'optimisation des matériaux applicable à d'autres systèmes d'alliage et catalytiques, améliorant ainsi les performances catalytiques."
Plus d'informations : Jialun Gu et al, Turing structurant avec plusieurs nanotwins pour concevoir des catalyseurs efficaces et stables pour la réaction de dégagement d'hydrogène, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-40972-w
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université de la ville de Hong Kong
