Les recherches de l’Université d’État de l’Oregon sur la conception de catalyseurs ont montré que l’hydrogène peut être produit proprement avec une efficacité bien supérieure et à un coût inférieur à ce qui est possible avec les catalyseurs actuellement disponibles dans le commerce.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans subir elle-même de changement chimique permanent.
Les résultats sont importants car la production d’hydrogène est importante pour “de nombreux aspects de notre vie, tels que les piles à combustible pour les voitures et la fabrication de nombreux produits chimiques utiles tels que l’ammoniac”, a déclaré Zhenxing Feng, professeur de génie chimique de l’OSU College of Engineering. qui a dirigé la recherche. « Il est également utilisé dans le raffinage des métaux, pour la production de matériaux synthétiques tels que les plastiques et à d’autres fins. »
La production d’hydrogène en divisant l’eau via un processus catalytique électrochimique est plus propre et plus durable que la méthode conventionnelle consistant à dériver l’hydrogène du gaz naturel via un processus de production de dioxyde de carbone connu sous le nom de reformage à la vapeur de méthane, a déclaré Feng. Mais le coût de la technique plus verte a été un obstacle sur le marché.
Les nouvelles découvertes, qui décrivent des façons de concevoir des catalyseurs pouvant grandement améliorer l’efficacité du processus de production d’hydrogène propre, ont été publiées dans Avancées scientifiques et JACS Au.
Zhenxing Feng, OSU. Crédit : OSU
En facilitant les processus de réaction, les catalyseurs subissent souvent des changements structurels, a déclaré Feng. Parfois, les changements sont réversibles, d’autres fois irréversibles, et on pense que la restructuration irréversible dégrade la stabilité d’un catalyseur, entraînant une perte d’activité catalytique qui réduit l’efficacité de la réaction.
Feng, OSU Ph.D. L’étudiant Maoyu Wang et ses collaborateurs ont étudié la restructuration des catalyseurs en réaction, puis ont manipulé leur structure de surface et leur composition à l’échelle atomique pour obtenir un processus catalytique très efficace pour la production d’hydrogène.
Une phase active d’un catalyseur à base d’hydroxyde d’iridium amorphe présentait une efficacité 150 fois supérieure à celle de sa structure pérovskite d’origine et près de trois ordres de grandeur mieux que le catalyseur commercial commun, l’oxyde d’iridium.
“Nous avons trouvé au moins deux groupes de matériaux qui subissent des changements irréversibles qui se sont avérés être de bien meilleurs catalyseurs pour la production d’hydrogène”, a déclaré Feng. « Cela peut nous aider à produire de l’hydrogène à 2 $ le kilogramme et éventuellement 1 $ le kilogramme. C’est moins cher que le processus polluant dans les industries actuelles et aidera à atteindre l’objectif de zéro émission des États-Unis d’ici 2030. »
Feng note que l’Office des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible du département américain de l’énergie a établi des références de technologies capables de produire de l’hydrogène propre à 2 $ par kilogramme d’ici 2025 et 1 $ par kilogramme d’ici 2030 dans le cadre de l’objectif Hydrogen Energy Earthshot de réduire le coût de l’énergie propre. l’hydrogène de 80 %, de 5 $ à 1 $ le kilogramme, en une décennie.
La technologie d’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène propre sur laquelle se concentre le groupe de Feng utilise de l’électricité provenant de sources renouvelables pour diviser l’eau afin de produire de l’hydrogène propre. Cependant, l’efficacité de la séparation de l’eau est faible, a-t-il déclaré, principalement en raison de la surtension élevée – la différence entre le potentiel réel et le potentiel théorique d’une réaction électrochimique – d’une demi-réaction clé dans le processus, la réaction de dégagement d’oxygène ou REL.
“Les catalyseurs sont essentiels pour favoriser la réaction de séparation de l’eau en abaissant la surtension, et donc en abaissant le coût total de la production d’hydrogène”, a déclaré Feng. “Notre première étude dans JACS Au a jeté les bases pour nous, et comme le démontre notre article sur les avancées scientifiques, nous pouvons désormais mieux manipuler les atomes à la surface pour concevoir des catalyseurs avec la structure et la composition souhaitées.”
Les références:
“Lixiviation de métaux dépendante du site du réseau dans les pérovskites vers un catalyseur d’oxydation de l’eau en nid d’abeille” par Yubo Chen, Yuanmiao Sun, Maoyu Wang, Jingxian Wang, Haiyan Li, Shibo Xi, Chao Wei, Pinxian Xi, George E. Sterbinsky, John W Freeland, Adrian C. Fisher, Joel W. Ager, Zhenxing Feng et Zhichuan J. Xu, 10 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abk1788
« Le CoO induit par la restructurationX Catalyst for Electrochemical Water Splitting » par Maoyu Wang, Qingbo Wa, Xiaowan Bai, Zuyun He, Widitha S. Samarakoon, Qing Ma, Yingge Du, Yan Chen, Hua Zhou, Yuanyue Liu, Xinwei Wang et Zhenxing Feng, 2 novembre 2021, JACS Au.
DOI : 10.1021 / jacsau.1c00346
La National Science Foundation a soutenu la recherche de Feng via le site Northwest Nanotechnology Infrastructure à OSU, et le ministère de l’Énergie a également fourni un financement.
Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne, de l’Université du Texas, de l’Université de Pékin, du Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest ont collaboré avec Feng et Wang, Université du nord-ouest, Université de technologie de Chine du Sud, Université de Cambridge, Université de Californie, Berkeley, et l’Université technologique de Nanyang à Singapour.
