Créer une économie de l’hydrogène n’est pas une mince tâche, mais les ingénieurs de l’Université Rice ont découvert une méthode qui pourrait rendre plus économique et pratique la catalyse de l’évolution de l’oxygène dans les acides, l’un des sujets les plus difficiles de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène propre.
Le laboratoire de l’ingénieur chimiste et biomoléculaire Haotian Wang de la George R. Brown School of Engineering de Rice a remplacé l’iridium rare et coûteux par du ruthénium, un métal précieux beaucoup plus abondant, comme catalyseur à électrode positive dans un réacteur qui divise l’eau en hydrogène et oxygène .
L’ajout réussi du laboratoire de nickel au dioxyde de ruthénium (RuO2) a abouti à un catalyseur d’anode robuste qui a produit de l’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau pendant des milliers d’heures dans des conditions ambiantes.
« Il y a un énorme intérêt de l’industrie pour l’hydrogène propre », a déclaré Wang. « C’est un vecteur énergétique important et également important pour la fabrication de produits chimiques, mais sa production actuelle contribue à une part importante des émissions de carbone dans le secteur de la fabrication de produits chimiques à l’échelle mondiale. Nous voulons le produire de manière plus durable, et la séparation de l’eau à l’aide d’électricité propre est largement reconnue comme l’option la plus prometteuse. »
L’iridium coûte environ huit fois plus cher que le ruthénium, a-t-il dit, et il pourrait représenter 20 à 40 % des dépenses de fabrication d’appareils commerciaux, en particulier dans les futurs déploiements à grande échelle.
Le processus développé par Wang, l’associé postdoctoral Rice Zhen-Yu Wu et l’étudiant diplômé Feng-Yang Chen, et leurs collègues de l’Université de Pittsburgh et de l’Université de Virginie est détaillé dans Matériaux naturels.
La séparation de l’eau implique les réactions de dégagement d’oxygène et d’hydrogène par lesquelles des catalyseurs polarisés réarrangent les molécules d’eau pour libérer de l’oxygène et de l’hydrogène. « L’hydrogène est produit par la cathode, qui est une électrode négative », a déclaré Wu. « En même temps, il doit équilibrer la charge en oxydant l’eau pour générer de l’oxygène côté anode. »
« La cathode est très stable et ne pose pas de gros problèmes, mais l’anode est plus sujette à la corrosion lors de l’utilisation d’un électrolyte acide », a déclaré Chen. « Les métaux de transition couramment utilisés comme le manganèse, le fer, le nickel et le cobalt s’oxydent et se dissolvent dans l’électrolyte.
« C’est pourquoi le seul matériau pratique utilisé dans les électrolyseurs commerciaux d’eau à membrane échangeuse de protons est l’iridium », a-t-il déclaré. « C’est stable pendant des dizaines de milliers d’heures, mais c’est très cher. »
Cherchant à trouver un remplaçant, le laboratoire de Wang a opté pour le dioxyde de ruthénium pour son activité connue, en le dopant avec du nickel, l’un des nombreux métaux testés.
Les chercheurs ont démontré que RuO ultrapetit et hautement cristallin2 des nanoparticules avec des dopants au nickel, utilisées à l’anode, ont facilité la séparation de l’eau pendant plus de 1 000 heures à une densité de courant de 200 milliampères par centimètre carré avec une dégradation négligeable.
Ils ont testé leurs anodes contre d’autres en dioxyde de ruthénium pur qui ont catalysé l’électrolyse de l’eau pendant quelques centaines d’heures avant de commencer à se dégrader.
Le laboratoire travaille à l’amélioration de son catalyseur au ruthénium pour l’insérer dans les processus industriels actuels. « Maintenant que nous avons atteint cette étape de stabilité, notre défi est d’augmenter la densité de courant d’au moins cinq à dix fois tout en maintenant ce type de stabilité », a déclaré Wang. « C’est très difficile, mais toujours possible. »
Il voit le besoin comme urgent. « La production annuelle d’iridium ne nous aidera pas à produire la quantité d’hydrogène dont nous avons besoin aujourd’hui », a déclaré Wang. « Même l’utilisation de tout l’iridium produit dans le monde ne générera tout simplement pas la quantité d’hydrogène dont nous aurons besoin si nous voulons qu’il soit produit par électrolyse de l’eau.
« Cela signifie que nous ne pouvons pas compter entièrement sur l’iridium », a-t-il déclaré. « Nous devons développer de nouveaux catalyseurs pour réduire son utilisation ou l’éliminer complètement du processus. »
Boyang Li de l’Université de Pittsburgh est co-auteur principal de l’article. Les co-auteurs sont Peng Zhu, étudiant diplômé de Rice; étudiant diplômé Shen-Wei Yu à Virginia; le physicien Zou Finfrock au Laboratoire national d’Argonne ; la scientifique Debora Motta Meira d’Argonne et Canadian Light Source; Zhouyang Yin, ancien élève de Virginie; et Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song et Hai-Wei Liang de l’Université des sciences et technologies de Chine, Hefei. Les auteurs co-correspondants sont Sen Zhang, professeur agrégé de chimie à Virginia, et Guofeng Wang, professeur de science mécanique et des matériaux à Pittsburgh. Haotian Wang est titulaire de la chaire William Marsh Trustee chez Rice et professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire.
La recherche a été soutenue par la Welch Foundation (C-2051-20200401), la David and Lucile Packard Foundation (2020-71371), un Roy E. Campbell Faculty Development Award, la National Science Foundation (1905572, 2004808), l’Université de Pittsburgh Center for Research Computing et Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory.
Source de l’histoire :
Matériel fourni par Université du riz. Original écrit par Mike Williams. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
