Une équipe de recherche a développé un catalyseur d'oxydation de l'eau très stable et efficace, marquant une progression majeure dans le domaine de la production d'hydrogène vert via la technologie de division de l'eau.
Leur étude a été publiée dans Science Le 25 avril. L'équipe était dirigée par le professeur Yan Ya de l'Institut Shanghai des céramiques de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec des scientifiques de l'Université Huazhong des sciences et de la technologie, de l'Université Shanghai Jiao Tong et de l'Université d'Auckland.
L'oxydation de l'eau – où les molécules d'eau sont divisées en oxygène gazeux, protons et électrons – est une demi-réaction clé de la division électrolytique de l'eau. Cependant, il reste un goulot d'étranglement en raison de sa consommation élevée d'énergie et de sa cinétique lente, nécessitant des catalyseurs très efficaces pour surmonter ces barrières.
Bien que les catalyseurs à base de métaux de transition actuels présentent une bonne activité pour l'oxydation de l'eau alcaline, elles se dégradent souvent rapidement sous des densités de courant élevé au niveau industriel, principalement en raison de la distorsion structurelle et de la dissolution des sites métalliques actifs dans de fortes conditions oxydatives.
Pour relever ce défi, les chercheurs ont proposé une stratégie innovante pour équilibrer simultanément l'activité catalytique élevée et la durabilité sous les densités de courant élevé au niveau industriel. En ciblant le greffage, les cadres métal-organiques COFE (MOF) sur des polyoxométalates Ni-pont (POM), ils ont construit une superstructure mof @ pom.
Dans des conditions d'oxydation de l'eau, le CoFE-mof subit une transformation in situ en un double hydroxyde à double couche COFE (COFE-LDH), lié de manière covalente aux unités POM par des ponts Ni – O. Ainsi, un catalyseur de superstructure à hydroxyde de COFE à couche unique hautement active et stable a été réalisé avec succès.
La spectroscopie électrochimique in situ a révélé un processus catalytique synergique entre les sites actifs CO et Fe et les centres de réglage Ni et W. Les états de valence de cobalt et de fer catalytiques actifs augmentent progressivement pendant le fonctionnement, tandis que les composants de réglage Ni – O et W – O subissent des oscillations de valence dynamiques.
L'analyse systématique a montré que les unités POM jouent un rôle essentiel dans la stabilisation du catalyseur en modulant la densité électronique et en soulageant la déformation du réseau, en formant ensemble un mécanisme synergique de stabilisation à double déformation-électron et stabilisant efficacement le catalyseur dans des conditions extrêmes.
Le catalyseur COFE-LDH @ POM a démontré des performances exceptionnelles dans les électrolytes alcalins, ne nécessitant que 178 mV de surplomb à 10 mA / cm2surperformant des catalyseurs conventionnels à base de métaux. Lorsqu'il est intégré dans un électrolyzer à membrane d'échange d'anions, l'appareil affichait 3 A / cm2 densité de courant avec une tension cellulaire de seulement 1,78 V à 80 ° C, dépassant l'objectif industriel 2025 du ministère américain de l'Énergie.
Les tests à long terme ont en outre souligné la robustesse du système. L'électrolyzer a fonctionné de manière stable pendant plus de 5 140 heures à 2 A / cm² à température ambiante, avec un taux de décroissance de tension minimal de seulement 0,02 mV / h. Même à une température élevée de 60 ° C, le système a maintenu un fonctionnement continu pendant plus de 2 000 heures.
Ce travail établit non seulement une nouvelle référence pour les catalyseurs d'oxydation de l'eau à haute performance, mais établit également un cadre de conception pour les électrocatalyseurs de nouvelle génération, faisant progresser l'électrolyse d'eau alcaline vers une opération à grande énergie à l'échelle industrielle.
