Alors que la poursuite mondiale des solutions énergétiques durables s'intensifie, le fractionnement de l'eau reste une avenue prometteuse pour produire des carburants hydrogène propres. Mais le processus de division de l'eau en hydrogène et en oxygène est intrinsèquement inefficace, ce qui requise beaucoup plus d'énergie que théoriquement prévu.
Maintenant, les chimistes de l'Université du Nord-Ouest ont trouvé une explication au niveau moléculaire de cet écart. Dans le moment crucial avant d'abandonner les atomes d'oxygène, les molécules d'eau effectuent une astuce inattendue: elles retournent.
Après avoir observé les molécules d'eau flip, l'équipe a quantifié le coût énergétique précis associé à cette étape critique. Ils ont découvert que l'acrobatie acrobatique est un contributeur majeur au goulot d'étranglement de l'efficacité du fractionnement de l'eau. Mais, dans une autre découverte, ils ont constaté que l'augmentation du pH de l'eau diminue que le coût énergétique et contribue ainsi à rendre le processus plus efficace.
Ces nouvelles connaissances pourraient aider les chercheurs à trouver de nouvelles façons de réduire la barrière énergétique pour générer un carburant hydrogène propre et pour produire de l'oxygène respirant pendant les futures missions à Mars.
L'étude est publiée dans la revue Communications de la nature.
« Lorsque vous avez divisé l'eau, deux demi-réactions se produisent », a déclaré Franz Geiger de Northwestern, qui a dirigé l'étude. « Une demi-réaction produit de l'hydrogène et l'autre produit de l'oxygène. La demi-réaction qui produit de l'oxygène est vraiment difficile à effectuer, car tout doit être aligné juste. Il finit par prendre plus d'énergie que théoriquement calculé. Si vous faites le calcul, il devrait nécessiter 1,23 volts. Mais, en réalité, cela nécessite plus de 1,5 ou 1,6 volts.
« Nous soutenons que l'énergie nécessaire pour retourner l'eau est un contributeur important à avoir besoin de cette énergie supplémentaire. En concevant de nouveaux catalyseurs qui facilitent le retournement de l'eau, nous pourrions rendre la division d'eau plus pratique et plus efficace. »
Geiger est le professeur de chimie de Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre de l'Institut international de nanotechnologie et de l'Institut de l'énergie et de la durabilité de Paula M. Triens. L'auteur principal de l'étude est Raiden Speelman et le deuxième auteur est Ezra J. Marker, qui sont tous deux membres du laboratoire de Geiger. Les autres co-auteurs incluent Alex Martinson du Argonne National Laboratory et Mavis Boamah, Jacob Kupferberg, Mark Engelhard, Yatong Zhao et Kevin Rosso, tous du Pacific Northwest National Laboratory.
La promesse et les défis du fractionnement de l'eau
Alors que le climat continue de se réchauffer, les scientifiques se sont de plus en plus intéressés par le fractionnement de l'eau comme un moyen de produire de l'énergie hydrogène propre comme alternative aux combustibles fossiles. Pour effectuer le processus, les scientifiques ajoutent de l'eau à une électrode, puis appliquent une tension. Cette électricité divise les molécules d'eau en deux composants – l'hydrogène et l'oxygène – sans aucun sous-produit indésirable. De là, les chercheurs peuvent collecter l'hydrogène pour le carburant ou réutiliser l'hydrogène et l'oxygène dans les piles à combustible économes en énergie.
Bien que le fractionnement de l'eau puisse jouer un rôle important dans une future économie d'énergie propre, il fait face à plusieurs défis. Le principal problème est que la partie à l'oxygène de la réaction, appelée réaction d'évolution de l'oxygène (OER), peut être difficile et inefficace. Bien qu'il soit plus efficace lorsque l'Iridium est utilisé comme électrode, Geiger a déclaré que les scientifiques ont besoin d'alternatives plus abordables.
« L'iridium ne vient que de la Terre à cause de l'impact fulgurant, comme la célèbre anomalie de l'iridium à la frontière du crétacé-paleogène, donc il y a un montant limité », a-t-il déclaré. « C'est très cher et ne va certainement pas aider à résoudre la crise énergétique de sitôt. Les chercheurs envisagent des alternatives, comme le nickel et le fer, et nous espérons trouver des moyens de rendre ces matériaux tout aussi efficaces – sinon plus efficaces – que l'iridium. »
«Équivalent optique aux écouteurs de renforcement du bruit»
Dans la nouvelle étude, Geiger et son équipe se sont concentrés sur l'hématite, un minéral d'oxyde de fer peu coûteux et abondant. Bien que l'hématite soit un matériau prometteur pour effectuer l'ORE, il souffre d'inefficacité, un peu comme d'autres métaux bon marché. Pour explorer la raison pour laquelle les chercheurs ont appliqué une nouvelle technique sophistiquée basée sur la lumière appelée deuxième génération harmonique (PR-Shg) résolue en phase.
Auparavant développé dans le laboratoire de Geiger, PR-Shg permet aux chercheurs d'observer comment les molécules d'eau interagissent avec l'électrode métallique en temps réel. Pour mener l'expérience, l'équipe a d'abord placé une électrode d'hématite dans un récipient spécial avec de l'eau. Ensuite, ils ont brillé un laser sur la surface de l'électrode et ont mesuré l'intensité lumineuse à la moitié de la longueur d'onde. En utilisant plusieurs composants optiques – y compris les lentilles, les miroirs et les cristaux – les chercheurs ont manipulé le faisceau laser pour obtenir des informations détaillées.
« Notre technique est l'équivalent optique des écouteurs de création de bruit », a déclaré Geiger. « Nous pouvons essentiellement contrôler les interférences constructives et déconstructives – la phase du photon – et à partir de cela, nous pouvons quantifier précisément combien de molécules d'eau pointent vers la surface et combien de réorganisation pour en indiquer. »
En analysant l'amplitude et la phase des photons de signal, l'équipe de Geiger a déduit la disposition des molécules d'eau. Avant d'appliquer la tension, les chercheurs ont remarqué que les molécules d'eau étaient positionnées au hasard. Cependant, alors qu'ils appliquaient une tension précise à l'électrode, ils ont regardé les molécules d'eau se réorienter.
Quantifier l'obstacle énergétique
L'observation directe des molécules d'eau Flip a permis aux chercheurs de mesurer le nombre de molécules d'eau renversées ainsi que l'énergie associée à ce retournement. Ils ont constaté que le retournement se produit immédiatement avant le début de l'OER, indiquant qu'il s'agit d'une étape nécessaire et non négociable du processus.
« Ces électrodes sont chargées négativement, de sorte que la molécule d'eau veut mettre ses atomes d'hydrogène chargés positivement vers la surface de l'électrode », a déclaré Geiger. « Dans cette position, le transfert d'électrons – des atomes d'oxygène de l'eau au site actif de l'électrode – est bloqué. Nous constatons que lorsque le champ électrique devient suffisamment fort, il provoque un retournement des molécules, de sorte que les atomes d'oxygène pointent vers la surface de l'électrode. Ensuite, les atomes d'hydrogène sont hors du chemin, et les électrons peuvent se déplacer de l'oxygène de l'eau à l'électrode. »
Lors de la quantification de la quantité d'énergie utilisée, Geiger et son équipe ont découvert que l'énergie nécessaire pour aligner les molécules d'eau correspond étroitement à l'énergie qui maintient l'eau liquide ensemble. Ils ont également constaté que le niveau de pH de l'eau influence l'orientation des molécules d'eau. Alors que de faibles niveaux de pH ont nécessité plus d'énergie pour basculer les molécules d'eau dans l'alignement correct, des niveaux de pH plus élevés, en revanche, ont rendu le processus plus efficace.
« Lorsque vous descendez en dessous d'un pH de neuf, il y a peu ou pas de courant électrique produit du tout », a déclaré Geiger. « Donc, alors que les molécules d'eau se retournent toujours, le travail associé à cela est si élevé qu'il n'y a pas d'électrochimie. »
Conclusions confirmées
Ces résultats confirment une étude précédente du Laboratoire de Geiger, publié en mars dans la revue Avancées scientifiques. Dans cette étude, l'équipe de Geiger a regardé l'OER sur une électrode en nickel. Les chercheurs ont assisté au même comportement: les molécules d'eau ont été renversées immédiatement avant le début de la réaction.
« Nous savons maintenant que le retournement de l'eau se produit sur les électrodes en métal et en semi-conducteur », a déclaré Geiger. « Donc, c'est probablement un comportement plus général que nous ne le pensions initialement. Maintenant, nous pouvons optimiser les conditions où le retournement de l'eau est le plus facile. »
Bien que le nickel et l'hématite soient à la fois peu coûteux et abondants, l'hématite, qui est un semi-conducteur, a des applications potentielles en tant que photoanode et donc oxydation de l'eau solaire.
« Un objectif clé est de s'éloigner des combustibles fossiles et vers une économie d'hydrogène », a déclaré Geiger. « Une idée à longue pointe consiste à utiliser un matériau avec les bonnes propriétés électrocatalytiques et optiques. Grâce à un rayonnement solaire, il génère des sites catalytiquement actifs qui font l'électrochimie. Vous devez toujours appliquer un courant pour effectuer l'électrochimie, mais les photons du Soleil vous permettent d'appliquer moins de tension. Et moins la tension que vous appliquez, le combustible le moins cher devient.
« Notre étude montre que les surfaces du catalyseur doivent être adaptées pour faciliter le retournement de l'eau afin que le transfert d'électrons puisse déclencher. »
