Alors que la demande énergétique continue d’augmenter, la recherche de nouvelles sources d’énergie renouvelables et propres constitue une priorité urgente. Actuellement, les sources d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne, marémotrice et géothermique représentent moins de 40 % de la demande énergétique actuelle. Augmenter ce pourcentage et réduire la quantité de combustibles fossiles utilisés nécessitera d'autres sources d'énergie renouvelables et propres, plus efficaces.
L'hydrogène est une alternative prometteuse, mais il est actuellement produit par reformage à la vapeur, qui est inefficace et produit du CO2. émissions. La division électrochimique de l'eau, également appelée électrolyse de l'eau, peut tirer parti de l'électricité produite à partir de sources renouvelables et constitue une solution potentiellement efficace pour produire de l'hydrogène.
La division de l'eau nécessite une réaction appelée réaction de dégagement d'hydrogène (HER), mais les nanocatalyseurs impliqués dans cette HER n'ont pas de taille, de composition, de structure ou d'environnement de coordination chimique uniformes pour améliorer l'efficacité et favoriser la compréhension du mécanisme de réaction. La solution à ce problème pourrait résider dans des nanoamas d'or atomiquement précis.
Dans une revue de la littérature publiée dans Polyoxométalates Le 19 août, les chercheurs résument les travaux existants qui étudient comment les nanoclusters d'or peuvent améliorer les performances catalytiques et promouvoir HER.
"Il est extrêmement difficile d'obtenir un catalyseur modèle avec une taille absolument uniforme, une configuration géométrique définie et un environnement chimique local bien défini au niveau anatomique pour établir la relation structure-performance sans ambiguïté au niveau atomique. Des nanoclusters d'or atomiquement précis peuvent potentiellement résoudre ces questions », a déclaré Zhenghua Tang, chercheur à l'Institut de recherche sur les nouvelles énergies de l'Université de technologie de Chine du Sud à Guangzhou, en Chine. "Plus précisément, les nanoclusters d'or ont démontré des propriétés catalytiques extraordinaires dans diverses réactions organiques et réactions électrocatalytiques."
Le nanocluster d'or est particulièrement adapté pour servir de catalyseur pour HER pour plusieurs raisons. Contrairement à d’autres nanocatalyseurs, le nanocluster d’or possède une nanostructure précise. Cette structure précise signifie que tous les nanoamas d'or sont uniformes en termes de taille, de composition, de morphologie et d'environnement chimique.
Il est également utile pour identifier les sites actifs pour la catalyse HER. Les riches réactivités chimiques des nanoclusters d’or permettent à la fois l’adaptation du noyau métallique et l’ingénierie des ligands de surface. L'adaptation d'un noyau métallique se produit lorsqu'un autre métal est introduit dans le nanocluster d'or, qui forme un cluster d'alliage d'or. L’introduction d’un autre métal peut conférer de nouvelles capacités catalytiques et réduire les coûts. Dans l'ingénierie des ligands de surface, l'environnement chimique de surface peut être ajusté pour exposer davantage de sites actifs ou modifier la structure du nanocluster.
Enfin, les nanoclusters d'or ont d'autres avantages structurels, tels que leur taille ultra-petite, qui répond au principe « petit est précieux » dans le domaine de la catalyse ; la morphologie peut être ajustée et manipulée; stabilité robuste avec une structure intacte préservée dans diverses réactions dans des conditions douces.
"Les cas présentés dans cette revue montrent clairement que les propriétés catalytiques HER exceptionnelles sont souvent affichées en raison des avantages distincts des nanoclusters d'or par rapport aux nanoparticules d'or. Cependant, des défis sont certainement présents dans l'utilisation de nanoclusters d'or pour la catalyse HER", a déclaré Tang. P>
Certains des défis courants associés aux nanoclusters d'or consistent à trouver une solution à la quantité d'or qui serait nécessaire pour étendre l'utilisation de ces catalyseurs, aux problèmes liés au fonctionnement des nanocatalyseurs dans des conditions difficiles et à une modélisation théorique inexacte.
Pour l’avenir, les chercheurs planifient les prochaines étapes de la recherche sur les nanocatalyseurs. Les pistes suggérées incluent le test de l'applicabilité du composite à base d'amas d'or pour d'autres réactions couplées au HER et l'amélioration de la conductivité électrique du catalyseur composite à base d'amas.
"En raison du développement rapide des techniques de synthèse et de la science de la catalyse, nous prévoyons que davantage d'efforts de recherche seront consacrés à l'utilisation de nanoclusters métalliques atomiquement précis comme catalyseurs modèles pour diverses réactions électrocatalytiques et au-delà", a déclaré Tang.
Plus d'informations : Xin Zhu et al, Nanoclusters Au atomiquement précis pour la catalyse électrochimique de dégagement d'hydrogène :progrès et perspectives, Polyoxométalates (2023). DOI :10.26599/POM.2023.9140031
Fourni par Tsinghua University Press
