En tant que combustible, la combustion de l’hydrogène gazeux ne contribue pas au réchauffement climatique. Aujourd’hui, la majorité de l’hydrogène gazeux est produit à partir de combustibles fossiles, et ce processus libère des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. La génération d'hydrogène gazeux à partir de sources propres, telles que la division de molécules d'eau avec de l'électricité par électrolyse, est importante pour atteindre la future neutralité carbone, mais les méthodes actuelles sont inefficaces et limitent la faisabilité commerciale des technologies basées sur l'hydrogène.
Un nouvel électrocatalyseur exploite une activité électrochimique, une surface de réaction et une durabilité améliorées pour améliorer l'efficacité de la production d'hydrogène gazeux par électrolyse.
Des chercheurs du Centre d'excellence pour la technologie NaNo Energy &Catalysis (CONNECT), de l'Université de Xiamen en Malaisie, ont synthétisé et caractérisé un électrocatalyseur à eau efficace et durable composé de dichalcogénure de métal de transition, disulfure de tungstène (WS2 ), un matériau bidimensionnel aux propriétés semi-conductrices, qui fonctionne comme accepteur ou donneur d'électrons dans la réaction d'électrolyse.
L'électrocatalyseur, WS2 /N-rGO/CC, est créé sur un tissu de carbone (CC) lié à de l'oxyde de graphène réduit (rGO), un semi-conducteur à réseau bidimensionnel, combiné à une très petite quantité d'azote (N) pour modifier les propriétés de le semi-conducteur d'oxyde de graphène réduit. Une réaction hydrothermale convertit le WS2 bidimensionnel en structures microscopiques tridimensionnelles ressemblant à des fleurs appelées nanofleurs qui augmentent la surface de l'électrocatalyseur pour améliorer l'efficacité de la réaction.
L'équipe a publié ses résultats dans la revue Nano Research .
"La synthèse d'une électrode autoportée pour la réaction de dégagement d'hydrogène dans l'hydrolyse de l'eau est cruciale car elle relève un défi fondamental dans la production d'énergie propre. Les méthodes traditionnelles reposent souvent sur des catalyseurs et des supports coûteux, qui peuvent limiter l'efficacité et l'évolutivité de la production d'hydrogène. "Ces travaux représentent une avancée significative en créant une électrode autoportée qui non seulement améliore l'activité électrocatalytique, mais offre également une solution rentable et durable pour la génération d'hydrogène", a déclaré Feng Ming Yap, auteur principal de l'article et étudiant diplômé du École d'ingénierie énergétique et chimique de l'Université de Xiamen en Malaisie à Selangor Darul Ehsan, Malaisie.
Parce que l'espèce active de l'électrocatalyseur, le disulfure de tungstène, est directement incorporée dans les matériaux conducteurs de l'électrode, WS2 /N-rGO/CC est considéré comme une électrode autoportée. Aucun liant polymère ni additif n'est présent dans l'électrocatalyseur synthétisé pour masquer les sites actifs du catalyseur ou diminuer la conductance électronique, maximisant ainsi l'efficacité de la réaction.
L'équipe de recherche a expérimenté l'incorporation de diverses quantités de diméthylformamide (DMF) dans la réaction de synthèse hydrothermale finale afin de déterminer la meilleure concentration pour la transition de phase métallique 1T préférée de WS2 pour l'électrode. L'électrode développée en utilisant une concentration de 50 % de DMF dans l'eau (50 % de WGC) lors de la dernière réaction hydrothermale a démontré des caractéristiques supérieures aux électrodes synthétisées en utilisant des solutions à 0, 25, 75 et 100 % de DMF.
« Notre électrode peut produire efficacement de l'hydrogène dans une large gamme de conditions de pH, ce qui la rend polyvalente et adaptable à diverses applications pratiques. Il s'agit d'une étape vers une production d'hydrogène durable et efficace, essentielle pour un avenir énergétique plus propre », a déclaré Wee-Jun. Ong, superviseur du projet et professeur agrégé à l'École de génie énergétique et chimique de l'Université de Xiamen en Malaisie.
Il est important de noter que l’électrocatalyseur à 50 % WGC a surpassé l’électrocatalyseur de référence en platine, 20 % Pt-C/CC, pour le HER dans des conditions acides et basiques. Plus précisément, 50 % de WGC ont démontré un surpotentiel ou une énergie nécessaire pour diviser l'eau inférieur à 20 % de Pt-C/CC. La surtension pour 50 % de WGC était de 21,13 mV, contre 46,03 mV pour 20 % de Pt-C/CC.
L'équipe de recherche estime que des électrocatalyseurs plus économiques et plus économes en énergie, comme 50 % de WGS, sont primordiaux pour atteindre les objectifs mondiaux en matière d'énergie propre. « Notre objectif est d'explorer l'évolutivité et la mise en œuvre pratique de notre technologie d'électrodes autonomes. Notre objectif ultime est de contribuer à la transition vers un paysage énergétique durable, dans lequel l'hydrogène peut jouer un rôle crucial en tant que source d'énergie propre et renouvelable », a déclaré Ong.
Jian Yiing Loh de l'École d'ingénierie énergétique et chimique et du Centre d'excellence pour la technologie NaNo Energy &Catalysis (CONNECT) de l'Université de Xiamen en Malaisie à Selangor Darul Ehsan, en Malaisie, a également contribué à l'étude. Cette recherche fait partie des initiatives des politiques nationales de la Malaisie, à savoir la feuille de route nationale pour la transition énergétique (NETR) et la feuille de route pour l'économie et la technologie de l'hydrogène (HETR), visant à faciliter l'énergie durable en Malaisie au cours des cinq prochaines années.
Plus d'informations : Feng Ming Yap et al, Intégration synergique de 1T/2H−WS2 autosupporté et de rGO dopé à l'azote sur un tissu de carbone pour l'évolution électrocatalytique universelle de l'hydrogène pH, Nano Research (2023). DOI : 10.1007/s12274-023-6118-8
Informations sur le journal : Nanorecherche
Fourni par Tsinghua University Press
