Les électrolyseurs sont des dispositifs qui peuvent diviser l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide de l'électricité et via un processus appelé électrolyse. À l'avenir, ces appareils pourraient aider à produire de l'hydrogène gazeux à partir de l'eau, ce qui est précieux pour un large éventail d'applications et pourrait également être utilisé pour alimenter les piles à combustible et décarboniser les systèmes d'énergie.
Au cœur du processus d'électrolyse de l'eau se trouvent des réactions électrochimiques appelées réactions d'évolution de l'hydrogène (sien). Dans les conditions de base (c'est-à-dire alcalines), ces réactions ont tendance à être lentes, ce qui entrave à son tour les performances des électrolyseurs.
Ces dernières années, les chercheurs en énergie ont essayé de concevoir de nouvelles interfaces aqueuses d'électrode ou d'identifier de nouveaux catalyseurs qui pourraient accélérer les siens et ainsi améliorer la capacité des électrolyseurs à produire de l'hydrogène. L'un des catalyseurs les plus employés à ce jour est le platine, mais ses performances sont limitées par un processus appelé liaison à l'hydrogène. Ce processus implique la forte adhésion des atomes d'hydrogène à sa surface, qui peuvent bloquer les sites de réaction et ralentir le sien.
Des chercheurs de l'Université de Pékin, du Pékin National Laboratory for Molecular Sciences et d'autres instituts en Chine ont récemment introduit une nouvelle stratégie d'ingénierie moléculaire qui s'est avérée accélérer les siennes sur les électrocatalyseurs en platine. Cette stratégie, décrite dans un article publié dans Énergie de la natureimplique l'introduction de superposition organiques (c'est-à-dire, des revêtements moléculaires minces qui se fixent à la surface des électrodes).
« Des modifications à la surface des électrodes ont été utilisées pour l'accélérer, mais des principes directeurs efficaces font défaut », a écrit Kaiyue Zhao, Ningyao Xiang et leurs collègues dans leur article. « Nous établissons une stratégie de conception moléculaire pour améliorer son activité dans les médias alcalins jusqu'à 50 fois en introduisant une superposition organique sur les électrodes PT. »
La nouvelle stratégie d'ingénierie moléculaire des chercheurs module les interactions à la surface des catalyseurs de platine, affaiblissant ainsi la liaison des atomes d'hydrogène et accélérant les siennes. Pour tester son potentiel et ses effets, l'équipe a effectué une série de tests, tout en l'appliquant à de vrais électrolyseurs avec des configurations d'assemblage d'électrode membranaire (MEA).
« Nous constatons que l'amélioration de son activité par les adsorbats organiques est corrélée avec leurs énergies de liaison aux électrodes PT; l'énergie de liaison pourrait être réglée en modifiant le nombre d'anneaux aromatiques et l'hydrophilie des adsorbats », a écrit Zhao, Xiang et leurs collègues.
« Les calculs de théorie fonctionnelle de la densité suggèrent que la superposition a entraîné une diminution du centre de la bande D, ce qui a entraîné une affaiblissement de l'adsorption de H, qui atténuait sa sur-alimentation sur Pt. Surtout, nous démontrons l'effet d'amélioration de la superficie d'électrode 2,2′-bipyridine sur Pt / C dans un niveau d'électrolyser à un niveau d'électrode à membrane, confirmant son efficacité sur le dispositif. » «
Dans les expériences initiales, la stratégie conçue par cette équipe de chercheurs s'est avérée affaiblir l'absorption d'hydrogène dans les électrolyseurs avec des catalyseurs de platine, accélérant la vitesse d'elle. À l'avenir, leur stratégie proposée pourrait également être appliquée à d'autres catalyseurs au-delà du platine, contribuant potentiellement à l'avancement des électrolyseurs et facilitant leur déploiement à grande échelle.
