Le nano-confinement pourrait être la clé pour améliorer la production d’hydrogène

Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert un nouveau mécanisme qui peut augmenter l’efficacité de la production d’hydrogène par division de l’eau.

Cette recherche, publiée dans ACS Matériaux appliqués et interfacesa été présenté sur la couverture de la revue et fournit de nouvelles perspectives sur le comportement de la réactivité de l’eau et du transfert de protons sous confinement extrême, suggérant des stratégies potentielles pour améliorer les performances des électrocatalyseurs pour la production d’hydrogène, tout en protégeant le catalyseur de la dégradation.

La production d’hydrogène par photodécomposition électrochimique de l’eau a longtemps été considérée comme le « Saint Graal » de l’électrochimie. La clé du déploiement à grande échelle de cette technologie est le développement d’un système électrocatalytique actif, durable et abordable.

En collaboration avec l’Université de Columbia et l’Université de Californie à Irvine, les scientifiques du LLNL ont développé une nouvelle stratégie pour améliorer l’équilibre entre l’activité et la durabilité des électrocatalyseurs en encapsulant le catalyseur avec des couches de dioxyde de titane ultra-minces et poreuses.

L’équipe de Columbia dirigée par Daniel Esposito avait précédemment rapporté que les oxydes nanoporeux recouvrant les nanoparticules de platine pourraient améliorer la durabilité du système sans compromettre l’activité catalytique, contrairement à l’opinion communément répandue : recouvrir la surface du catalyseur compromettrait gravement l’activité catalytique. La structure nanoporeuse semble également améliorer la sélectivité en favorisant les réactions de séparation de l’eau par rapport aux processus concurrents.

Dans leur étude, les scientifiques du LLNL ont utilisé des simulations avancées de dynamique moléculaire (MD) avec un potentiel d’apprentissage automatique dérivé de calculs de premiers principes. Cette plateforme permet d’explorer la surface d’énergie potentielle et la cinétique de réaction avec une précision extraordinaire à des échelles hors de portée de l’approche conventionnelle des premiers principes. Les simulations ont révélé que l’eau confinée dans des nanopores inférieurs à 0,5 nanomètre présente une réactivité et des mécanismes de transfert de protons considérablement modifiés. En particulier, l’équipe a observé que le confinement diminue l’énergie d’activation pour le transport de protons.

« Nos résultats démontrent que dans des environnements extrêmement confinés, l’énergie d’activation pour la dissociation de l’eau est réduite, ce qui conduit à des événements de transfert de protons plus fréquents et à un transport de protons plus rapide », a déclaré Hyuna Kwon, scientifique des matériaux au sein du groupe de simulations quantiques et du laboratoire pour les applications énergétiques du futur (LEAF) du LLNL. « Cette découverte pourrait ouvrir la voie à l’optimisation des oxydes poreux pour améliorer l’efficacité des systèmes de production d’hydrogène en ajustant la porosité et la chimie de surface des oxydes.

« Notre étude représente donc les efforts collectifs de trois centres du DOE et souligne l’engagement du LLNL à améliorer les technologies de production d’hydrogène renouvelable », a déclaré Kwon.

Parmi les autres co-auteurs du LLNL figurent Marcos Calegari Andrade, Tuan Anh Pham et Tadashi Ogitsu.