Les meilleures particules de catalyseur : les cubes surpassent les sphères

Par Ruhr-University Bochum5 février 2023

Les électrocatalyseurs sont des substances qui accélèrent les réactions chimiques dans les cellules électrochimiques. Ce sont des composants cruciaux dans de nombreuses technologies de conversion et de stockage d'énergie, telles que les piles à combustible, les batteries et les électrolyseurs, car ils améliorent l'efficacité et la stabilité de ces systèmes.

Dans la lutte contre le changement climatique, la réduction des émissions de CO2 est cruciale. Actuellement, l'hydrogène gris, produit à partir de pétrole et de gaz naturel, est largement utilisé, mais des efforts sont en cours pour le remplacer par de l'hydrogène vert, généré à partir de sources renouvelables. L'hydrogène vert est produit par électrolyse, un processus où l'électricité divise l'eau en hydrogène et en oxygène. Malgré son potentiel, plusieurs défis doivent être surmontés pour faire de l'électrolyse une option viable.

À l'heure actuelle, le processus de séparation de l'eau n'est efficace que dans une mesure limitée et il n'y a pas suffisamment de catalyseurs puissants, durables et rentables pour cela.

"Actuellement, les électrocatalyseurs les plus actifs sont basés sur les métaux précieux rares et chers que sont l'iridium, le ruthénium et le platine", énumère Kristina Tschulik. "En tant que chercheurs, notre travail consiste donc à développer de nouveaux électrocatalyseurs hautement actifs et exempts de métaux précieux."

Son groupe de recherche étudie les catalyseurs sous la forme de nanoparticules d'oxyde de métal de base qui sont un million de fois plus petites qu'un cheveu humain. Fabriqués à l'échelle industrielle, ils varient en forme, en taille et en composition chimique.

Kristina Tschulik (à gauche) et Hatem Amin étudient les nanoparticules comme catalyseurs de l'hydrogène vert. Crédit : © RUB, Marquard

"Nous utilisons des mesures pour examiner les encres dites catalytiques, dans lesquelles des milliards de particules sont mélangées avec des liants et des additifs", explique Kristina Tschulik. Cette méthode permet uniquement aux chercheurs de mesurer une performance moyenne, mais pas l'activité des particules individuelles - ce qui compte vraiment.

"Si nous savions quelle forme de particule ou facette cristalline - les surfaces qui pointent vers l'extérieur - est la plus active, nous pourrions produire spécifiquement des particules ayant cette forme exacte", explique le Dr Hatem Amin, chercheur postdoctoral en chimie analytique à l'Université de la Ruhr à Bochum.

Le groupe de recherche a développé une méthode pour analyser les particules individuelles directement en solution. Cela leur permet de comparer l'activité de différents nanomatériaux entre eux afin de comprendre l'influence des propriétés des particules telles que leur forme et leur composition sur la séparation de l'eau. "Nos résultats indiquent que les particules d'oxyde de cobalt sous forme de cubes individuels sont plus actives que les sphères, car ces dernières ont toujours plusieurs autres facettes moins actives."

Les résultats expérimentaux du groupe Bochum ont été confirmés par ses partenaires de coopération dirigés par le professeur Rossitza Pentcheva de l'Université de Duisburg-Essen dans le cadre du Centre de recherche collaborative/Transregio 247. Les analyses théoriques de ce dernier indiquent un changement dans les régions catalytiques actives, à savoir du cobalt des atomes entourés d'atomes d'oxygène formant un octaèdre à des atomes de cobalt entourés d'un tétraèdre.

"Nos connaissances sur la corrélation entre la forme des particules et l'activité jettent les bases de la conception basée sur la connaissance de matériaux catalytiques viables et, par conséquent, de la transformation de nos industries de l'énergie fossile et de la chimie vers une économie circulaire basée sur des sources d'énergie renouvelables et hautement actives. , des catalyseurs durables », conclut Kristina Tschulik.

Référence : "Facet-Dependent Intrinsic Activity of Single Co3O4 Nanoparticles for Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 1/2023)" par Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva et Kristina Tschulik, 3 janvier 2023, Matériaux fonctionnels avancés.DOI : 10.1002/adfm.202370006