Les chercheurs ont développé un cadre pour comprendre le rôle du nitrure de zirconium (ZrN) dans l’amélioration des réactions d’énergie propre, offrant ainsi une alternative rentable aux matériaux comme le platine dans les piles à combustible. Cette étude, cruciale pour les technologies d’énergie propre, s’avère prometteuse pour d’autres matériaux similaires.
Un groupe de chercheurs a percé les mystères d’un matériau récemment identifié – le nitrure de zirconium (ZrN) – qui contribue à alimenter des réactions d’énergie propre. Le cadre proposé facilitera les futures conceptions de nitrures de métaux de transition, ouvrant la voie à la production d’énergie plus propre.
L’étude a été publiée récemment dans la revue Science chimiqueoù il a été présenté comme article de couverture.
Percée technologique
Les piles à combustible à membrane échangeuse d’anions (AEMFC) sont des dispositifs qui utilisent de l’hydrogène et de l’oxygène pour produire de l’électricité propre grâce à des réactions chimiques, en particulier la réaction d’oxydation de l’hydrogène et la réaction de réduction de l’oxygène (ORR). Les AEMFC, grâce à leur capacité à fonctionner dans des conditions alcalines, fournissent un environnement approprié pour les catalyseurs à base de terre, offrant une alternative moins coûteuse à d’autres matériaux catalytiques efficaces, tels que le platine.
La surface recouverte d’hydroxyle identifiée sur ZrN dans des conditions ORR s’apparente à une « forêt », ce qui conduit à une activité ORR élevée. Crédit : Hao Li et al.
Des études récentes ont montré que le ZrN présente des performances efficaces, voire supérieures au platine, lorsqu’il est utilisé pour l’ORR en milieu alcalin. Le ZrN, même s’il n’est pas un matériau abondant sur terre, reste plus rentable que les alternatives. Mais ce qui se cache derrière ses performances impressionnantes reste un mystère pour les scientifiques.
Méthodologie et résultats
« Pour mettre en œuvre notre nouveau cadre théorique pour le ZrN, nous avons décidé d’utiliser l’analyse de l’état de surface, des simulations d’effets de champ électrique et une modélisation microcinétique dépendante du pH », explique Hao Li, professeur agrégé à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku (WPI-AIMR). et auteur correspondant de l’article.
L’analyse de surface a révélé que ZrN possède une très fine couche de H O lorsqu’il subit une ORR. Cette fine couche aide les molécules à s’y adhérer d’une manière bénéfique pour l’ORR. De plus, les simulations de l’effet de champ électrique démontrent que l’oxygène atomique collé à cette fine surface subit des changements minimes, adhérant ainsi modérément.
Après avoir effectué des simulations informatiques, les chercheurs ont découvert que le ZrN atteint le point idéal de l’ORR dans des conditions alcalines.
Implications plus larges
« Notre théorie testée fonctionne bien non seulement pour le ZrN, mais également pour d’autres matériaux comme Fe3N, TiN et HfN, qui sont similaires au ZrN, ce qui signifie que notre idée explique comment ces matériaux peuvent également être utilisés pour l’énergie propre », ajoute Hao. « Notre cadre aidera à rationaliser et à concevoir des nitrures de métaux de transition pour l’ORR alcalin. »
Directions futures
À l’avenir, Hao et son équipe prévoient d’étendre ce cadre pour étudier d’autres réactions d’importance industrielle, telles que la réaction de dégagement d’oxygène.
