Améliorer la production d’hydrogène vert grâce à des électrocatalyseurs robustes en tissu de carbone

Une technologie a été développée pour remédier aux limites des électrodes catalytiques actuelles, permettant ainsi la production d’hydrogène vert à grande échelle et à un coût relativement faible. L'évolution est rapportée dans le Journal de l'American Chemical Society.

Dirigée par le professeur Han Gi Chae du Département de science et d'ingénierie des matériaux et le professeur Jong-Beom Baek de l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST, l'équipe a collaboré avec le professeur Kafer T. Tavuz de l'Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST ) pour développer des électrocatalyseurs à tissu de carbone intégrés à des catalyseurs hautement fonctionnels en utilisant un processus de fabrication conventionnel de fibre/tissu de carbone.

Cette conception innovante permet un fonctionnement stable sur de grandes surfaces en utilisant un catalyseur en fibre de carbone, par opposition à un catalyseur de type poudre susceptible de se détacher. Notamment, cette électrode avancée offre une durée de vie 100 fois plus longue que les électrodes conventionnelles tout en conservant des performances optimales grâce à l'utilisation de ruthénium au lieu du platine plus cher, ce qui entraîne une réduction significative des coûts de fabrication.

Traditionnellement, les électrodes électrochimiques étaient fabriquées en pulvérisant un catalyseur en poudre tel que de la poudre de carbone sur l'électrode pour la fixation. Cependant, cette méthode posait des problèmes liés à une application inégale, entraînant des problèmes tels que l'agglutination ou le détachement de la poudre. À l’inverse, les électrodes électrochimiques à base de fibres de carbone attirent de plus en plus l’attention en raison de leurs propriétés de conductivité thermique et électrique élevées, ainsi que de leur facilité d’utilisation sur de grandes surfaces.

Pour aller plus loin, l'équipe de recherche a intégré du ruthénium (Ru) dans la fibre précurseur du polymère pendant le processus de fabrication, améliorant ainsi la stabilité du catalyseur. En utilisant le polyacrylonitrile (PAN) comme polymère précurseur, l'équipe a pu exprimer efficacement les caractéristiques du catalyseur de manière stable. De plus, le ruthénium était fixé sélectivement à la surface comme catalyseur chimique à la place du platine.

Leurs électrocatalyseurs en tissu à base de ruthénium (Ru – SFEC) ont démontré une faible surtension de 11,9 mV à une densité de courant de 10 mA cm^–2, indiquant une faible consommation d’énergie pendant le processus de génération d’hydrogène. L'électrode développée a montré une augmentation négligeable de surtension de 6,5 %, même après 10 000 opérations, une amélioration notable par rapport aux catalyseurs à poudre de platine commercialisés.

La nouvelle électrode en fibre de carbone dotée d'un catalyseur fonctionnel a été conçue pour fonctionner avec un avantage de coût significatif par rapport aux électrodes traditionnelles dépendant de catalyseurs coûteux à base de platine. En utilisant du ruthénium au lieu du platine et en l'incorporant dans la fibre précurseur du polymère au début du processus de fabrication, l'équipe a pu créer des Ru-SFEC avec un faible surpotentiel de 11,9 mV à une densité de courant de 10 mA cm.^–2démontrant une stabilité et une efficacité remarquables.

L'approche innovante de l'équipe exploite les propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles des fibres de carbone, démontrant ainsi leur potentiel en tant que matériau polyvalent pour les futures réactions électrochimiques. Grâce à un contrôle méticuleux de la séparation des métaux du catalyseur et de la structure des microcarbones, les chercheurs ont atteint une stabilité et une activité maximales, permettant la production continue de fibres de catalyseur pour des applications industrielles directes.

“Cette étude jette les bases du développement d'électrodes électrocatalytiques stables, sans liant et flexibles”, a déclaré le professeur Chae. “En outre, cette technique présente un potentiel pour d'autres réactions catalytiques avec différents métaux. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'amélioration de la durabilité mécanique, de la conductivité électrique et de la rentabilité.”

Cette électrode offre non seulement des processus de fabrication économes en énergie, mais réduit également la production de déchets. L'équipe de recherche a validé avec succès ses résultats grâce au processus de fabrication commerciale utilisé dans l'industrie de la fibre de carbone.

La production continue de fibres de carbone supportées par un catalyseur sur une ligne semi-pilote réalisée dans cette étude représente un niveau de maturité technologique adapté à une mise en œuvre réelle. “Le facteur de forme des fibres flexibles de cette étude facilite les applications immédiates en tant que catalyseur électrochimique, thermochimique ou photocatalyseur”, a noté le professeur de recherche Seok-Jin Kim de KAUST, co-premier auteur de l'étude.