Un catalyseur SA Zn-RuO2 nouvellement développé démontre une durabilité accrue et des caractéristiques favorables pour les REL acides. Il recèle un immense potentiel pour guider la conception d’électrocatalyseurs REL sans iridium robustes et actifs, ouvrant la voie à des applications pratiques dans les technologies énergétiques durables. Crédit : Issues.fr.com
Un catalyseur au ruthénium stable, réactif et économique pour la production durable d’hydrogène par électrolyse de l’eau à membrane échangeuse de protons.
L’électrolyse durable pour la production d’hydrogène vert est un défi, principalement en raison de l’absence de catalyseurs efficaces, peu coûteux et stables pour la réaction de dégagement d’oxygène dans les solutions acides. Une équipe de chercheurs a développé un catalyseur au ruthénium en le dopant avec du zinc, ce qui lui confère une stabilité et une réactivité améliorées par rapport à sa version commerciale. La stratégie proposée peut révolutionner la production d’hydrogène en ouvrant la voie à des électrocatalyseurs de nouvelle génération qui contribuent aux technologies d’énergie propre.
Défis de l’électrolyse et des catalyseurs
L’électrolyse est un processus qui utilise l’électricité pour créer des molécules d’hydrogène et d’oxygène à partir de l’eau. L’utilisation de membranes échangeuses de protons (PEM) et d’énergies renouvelables pour l’électrolyse de l’eau est largement considérée comme une méthode durable de production d’hydrogène.
Cependant, le défi de l’avancement de la technologie d’électrolyse de l’eau PEM réside dans le manque de catalyseurs efficaces, peu coûteux et stables pour la réaction de dégagement d’oxygène (REL) dans les solutions acides lors de l’électrolyse de l’eau PEM. Bien que les catalyseurs à base d’iridium constituent une solution potentielle, l’iridium métallique est par nature rare et coûteux. Alternativement, les oxydes de ruthénium (RuO2) offrent une option plus abordable et réactive, mais ils souffrent également de problèmes de stabilité.
Par conséquent, les chercheurs explorent les moyens d’améliorer la stabilité de la structure du RuO2 afin de développer des catalyseurs REL prometteurs pour la mise en œuvre réussie de la technologie de production d’hydrogène.
Les REL sont importantes pour la production durable d’hydrogène via l’électrolyse de l’eau avec un élément échangeur de protons. Aujourd’hui, les chercheurs présentent un nouveau catalyseur RuO2, stabilisé par des atomes uniques de zinc, pour les REL dans l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons. Crédit : Haeseong Jang de l’Université Chung-Ang
Percée dans le développement de catalyseurs REL
Or, dans une étude récente publiée dans le volume 88 du Journal de chimie énergétique en janvier 2024, un groupe de chercheurs, dirigé par le professeur Haeseong Jang du Département de génie des matériaux avancés de l’Université de Chung-Ang, a développé un catalyseur REL prometteur. Noté SA Zn-RuO2, le catalyseur comprend du RuO2 stabilisé par des atomes uniques de zinc.
À propos de leur étude, le professeur Jang déclare : « Nous étions motivés par la nécessité de trouver des électrocatalyseurs alternatifs efficaces et rentables pour les REL dans l’électrolyse de l’eau PEM. Sur la base de notre étude, nous proposons une stratégie de double ingénierie, impliquant un seul atome Dopage au zinc et introduction de lacunes en oxygène, pour équilibrer une activité catalytique élevée avec la stabilité lors des REL acides.
Conception et performances du catalyseur
Les chercheurs ont synthétisé le SA Zn-RuO2 en chauffant une structure organique avec des atomes de ruthénium (Ru) et de zinc, formant ainsi une structure avec des lacunes en oxygène (atomes d’oxygène manquants qui modifient positivement les propriétés) et des liaisons Zn-O-Ru. Ces liaisons stabilisent le catalyseur de deux manières : premièrement, en renforçant les liaisons Ru-O, et deuxièmement, en fournissant des électrons provenant des atomes de zinc pour protéger le ruthénium de la suroxydation pendant le processus REL. De plus, l’environnement électronique amélioré autour des atomes de ruthénium réduit les énergies nécessaires pour que les molécules adhèrent à la surface, abaissant ainsi la barrière énergétique de la réaction.
Le catalyseur résultant était plus stable, sans baisse apparente de réactivité, et surpassait considérablement le RuO2 commercial. De plus, il nécessitait moins d’énergie supplémentaire (faible surpotentiel de 213 mV contre 270 mV pour le RuO2 commercial) et restait fonctionnel plus longtemps (43 heures contre 7,4 heures pour le RuO2 commercial).
Implications pour l’énergie durable
En raison de sa stabilité et de ses caractéristiques améliorées, le catalyseur SA Zn-RuO2 récemment proposé a le potentiel d’influencer le développement de produits rentables, actifs et acide-électrocatalyseurs résistants pour les REL. Cela, à son tour, pourrait contribuer à réduire les coûts et à améliorer la production d’hydrogène vert, contribuant ainsi à une transition vers des sources d’énergie plus propres et aux progrès des technologies durables.
« Nous pensons que ce changement peut révolutionner les industries, les transports et les infrastructures énergétiques, et contribuer aux efforts visant à lutter contre le changement climatique et à favoriser un avenir plus résilient et plus respectueux de l’environnement. En effet, l’hydrogène vert accessible peut avoir un impact transformateur sur les sociétés en atténuant les impacts environnementaux, en créant des emplois et en garantissant la sécurité énergétique grâce à des solutions énergétiques diversifiées et durables », envisage le professeur Jang.
En résumé, le catalyseur RuO2 hautement réactif et catalytiquement stable pour les REL acides a une durabilité accrue et des caractéristiques favorables, et recèle un immense potentiel pour guider la conception d’électrocatalyseurs REL sans iridium robustes et actifs pour des applications pratiques !
