Le mode d'action d'importants catalyseurs décrypté
La décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène est une réaction chimique importante, notamment dans la perspective d'une utilisation accrue de l'hydrogène comme vecteur d'énergie dans la mobilité durable. Une équipe internationale de chercheurs vient de décrypter le mode d'action d'un catalyseur.
L'hydrogène, en particulier celui qui est produit de manière "verte" par la décomposition de l'eau avec de l'électricité renouvelable, est considéré comme un élément clé de la mobilité durable de demain. D'une part, l'hydrogène peut réagir chimiquement dans des piles à combustible et être utilisé pour produire de l'énergie électrique. Il peut ainsi alimenter des moteurs électriques. D'autre part, il est utilisé dans la production de carburants liquides synthétiques.
La dissociation de l'eau au moyen d'un courant électrique (électrolyse) se fait par deux réactions, dont l'une ne peut avoir lieu sans l'autre : La formation d'hydrogène et celle d'oxygène, chacune à un pôle électrique (électrode). Les chimistes appellent ces deux réactions partielles le dégagement d'hydrogène et le dégagement d'oxygène. Afin de rendre l'ensemble du processus plus efficace sur le plan énergétique, les scientifiques font des recherches sur l'utilisation de nouveaux matériaux qui ont un effet catalytique et favorisent ainsi les réactions partielles. Ceux-ci devraient être utilisés dans le domaine des électrodes.
La chimie des surfaces est déterminante
"Dans l'élaboration de catalyseurs pour les deux sous-réactions, la réaction de dégagement d'oxygène constitue de loin le plus grand défi", explique Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie catalytique à l'ETH Zurich. Dans un nouveau travail, une équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Fritz-Haber de la société Max Planck à Berlin et avec la collaboration de l'ETH Zurich vient d'acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur les matériaux catalytiques de cette réaction de dégagement d'oxygène : Les scientifiques ont pu montrer que ce sont surtout les processus à la surface du catalyseur qui sont responsables d'une bonne performance catalytique et moins les processus électrochimiques.
"Même si la réaction étudiée est une forme particulière de catalyse, à savoir l'électrocatalyse, elle suit les lois connues des réactions catalytiques traditionnelles", explique Guido Zichittella, chercheur dans le groupe de Pérez-Ramírez. Cette découverte est nouvelle, car jusqu'à présent, les scientifiques pensaient que ce sont surtout les processus électrochimiques qui déterminent la performance des réactions électrocatalytiques.
Catalyseurs à activité spécifique
Dans leur étude, les scientifiques ont utilisé comme catalyseur le matériau le plus fréquemment utilisé aujourd'hui dans les laboratoires de recherche pour cette réaction : L'oxyde d'iridium. Le professeur Pérez-Ramírez de l'ETH et son groupe ont préparé des catalyseurs avec différentes activités. Ils ont remplacé dans le catalyseur différentes quantités d'atomes d'oxygène catalytiquement actifs par des atomes de chlore catalytiquement inactifs. Ces catalyseurs ont permis d'étudier les effets de la chimie de surface séparément des effets de l'électrochimie.
Cette nouvelle découverte pourrait aider à développer des électrocatalyseurs plus performants et à trouver de nouveaux matériaux de catalyseurs moins chers pour produire de l'hydrogène de manière durable, efficace sur le plan énergétique et bon marché.
Des scientifiques de l'Institut Fritz-Haber de la Société Max Planck, de l'Université technique de Berlin, de l'Institut Max Planck pour la conversion chimique de l'énergie, de l'ETH Zurich et de l'Istituto officina dei materiali de Trieste ont participé à ce travail de recherche.
Référence bibliographique
Nong HN et al : Rôle clé de la chimie versus biais dans l'évolution de l'oxygène électrocatalytique. Nature, 18 octobre 2020, doi : page externe10.1038/s41586-020-2908-2