De nouveaux électrocatalyseurs pourraient transformer l’efficacité de la production d’hydrogène

La division électrocatalytique de l’eau, un processus qui consiste à décomposer l’eau en hydrogène et oxygène, est une approche prometteuse pour produire de l’hydrogène propre pour les piles à combustible, qui pourrait à son tour être utilisé pour alimenter de gros véhicules électriques. Jusqu’à présent, l’utilisation réelle de ce procédé a été limitée par la cinétique lente de la réaction de dégagement d’oxygène (REO), une réaction chimique clé se produisant à l’anode.

Des chercheurs de l’Institut Max-Planck de physique chimique des solides, de l’Institut des sciences Weizmann et d’autres instituts ont récemment introduit une approche innovante pour accélérer cette réaction, en utilisant des semi-métaux chiraux topologiques comme électrocatalyseurs.

Leurs conclusions, publiées dans Énergie naturelledémontrent que le couplage spin-orbite (SOC) inhérent à ces matériaux peut être exploité pour stimuler l’activité des REL, facilitant ainsi une division électrocatalytique de l’eau plus efficace.

“Nos recherches étaient motivées par le besoin pressant de solutions énergétiques propres et durables”, a déclaré Xia Wang, premier auteur de l’article, à Tech Xplore.

“Plus précisément, nous visions à relever le défi de l’amélioration de la division électrocatalytique de l’eau pour la production d’hydrogène, en mettant l’accent sur les REL, une étape critique souvent entravée par une cinétique lente. L’inspiration est venue des propriétés distinctives de transport d’électrons des semi-métaux chiraux topologiques, qui offraient une voie prometteuse pour répondre aux limites des catalyseurs traditionnels.

L’objectif principal de l’étude récente menée par Wang et ses collègues était d’exploiter les propriétés quantiques des semi-métaux chiraux topologiques pour améliorer l’efficacité des REL. Pour y parvenir, l’équipe a d’abord synthétisé une série de semi-métaux chiraux topologiques basés sur Rh avec différentes forces de SOC, notamment RhSi, RhSn et RhBiS.

“Ces matériaux présentent à la fois une chiralité géométrique hautement ordonnée et une chiralité électronique, qui permettent la génération de porteurs polarisés en spin, essentiels à l’amélioration de l’activité catalytique”, a expliqué Wang.

“En comparant leurs performances à celles de matériaux de référence achiraux, nous avons démontré que les cristaux chiraux surpassent considérablement les catalyseurs de pointe, tels que RuO₂atteignant une activité spécifique jusqu’à deux ordres de grandeur supérieure dans les électrolytes alcalins.

Les résultats rassemblés par Wang et ses collègues révèlent un lien direct entre la force du SOC dans les semi-métaux chiraux topologiques, la polarisation des spins et l’activité catalytique des matériaux. Cette découverte importante pourrait guider la conception future d’électrocatalyseurs pour la division de l’eau, conduisant à l’identification de matériaux topologiques entraînant une activité optimale des REL.

“La réalisation la plus notable de notre étude est la validation expérimentale d’un lien direct entre les performances du SOC et des REL, établissant un principe de conception robuste pour les catalyseurs dépendants du spin”, a déclaré Wang. “Parmi les matériaux que nous avons étudiés, le RhBiS s’est révélé être un artiste remarquable, démontrant une activité REL remarquable, avec une activité spécifique dépassant de loin celle des catalyseurs conventionnels.”

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient à terme contribuer à accélérer le développement de technologies avancées de séparation de l’eau. Cela pourrait à son tour faciliter l’adoption de solutions énergétiques vertes basées sur l’hydrogène, notamment les piles à combustible pour alimenter les avions, camions et autres gros véhicules électriques.

“Ce travail jette les bases de l’utilisation du couplage spin-orbite comme outil pour concevoir des catalyseurs topologiques plus efficaces”, a déclaré le professeur Maggie Lingerfelder de l’EPFL, experte dans le domaine.

“À mon avis, le couplage spin-orbite est un aspect sous-exploré dans la conception de catalyseurs sélectifs, mais il pourrait potentiellement expliquer pourquoi le Pt présente un comportement catalytique si polyvalent dans diverses réactions. Ce travail ouvre des voies passionnantes pour une exploration future, car il apporte la communauté de la physique du solide se rapproche des applications des matériaux topologiques chiraux en chimie à spin contrôlé.

Dans leurs prochaines études, Wang et ses collègues prévoient de s’appuyer sur leurs découvertes, en élargissant leurs recherches à d’autres matériaux topologiques dotés de propriétés électroniques et magnétiques différentes. Cela pourrait leur permettre d’optimiser davantage la génération de porteurs polarisés en spin.

« Nous prévoyons également de nous concentrer sur les applications du monde réel en développant des catalyseurs évolutifs et rentables et en évaluant leurs performances dans des contextes industriels pertinents », a ajouté Wang.

“En comblant le fossé entre la recherche fondamentale et la mise en œuvre pratique, nous espérons contribuer de manière significative à l’avancement des technologies énergétiques durables.”

© 2024 Réseau Science X