Un électrocatalyseur durable et peu coûteux génère de l’hydrogène et de l’oxygène propres à partir de l’eau

Un nouvel électrocatalyseur composé de nickel (Ni), de fer (Fe) et de silicium (Si) qui réduit la quantité d’énergie nécessaire pour synthétiser H₂ à partir de l’eau a été fabriqué de manière simple et économique, augmentant ainsi le caractère pratique de H₂ comme une énergie propre et renouvelable du futur.

L’hydrogène est un gaz hautement combustible qui peut aider le monde à atteindre ses objectifs en matière d’énergie propre s’il est fabriqué de manière respectueuse de l’environnement. Le principal obstacle à la création d’hydrogène gazeux à partir de l’eau est la grande quantité d’énergie requise pour l’électrolyse de l’eau, ou la division des molécules d’eau en hydrogène gazeux (H₂) et l’oxygène (O₂).

La plupart H₂ produit aujourd’hui est dérivé de combustibles fossiles, ce qui contribue au réchauffement climatique. Fabrication H₂ de l’eau à travers la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) nécessite l’utilisation d’un catalyseur ou d’un agent qui réduit la quantité d’énergie requise pour une réaction chimique. Jusqu’à récemment, ces catalyseurs étaient constitués de métaux de terres rares, comme le platine, ce qui réduisait la rentabilité et l’aspect pratique de la production d’hydrogène propre.

Un groupe de scientifiques des matériaux de l’Université de technologie de Dalian, en Chine, a fabriqué un électrocatalyseur, ou un catalyseur qui utilise l’électricité, en utilisant des matériaux et des méthodes peu coûteux pour réduire efficacement l’énergie requise pour générer du H propre.₂ de l’eau. Il est important de noter que l’alliage ou le mélange de siliciure ferrique-nickel (FeNiSi) réduit également l’énergie nécessaire pour générer de l’O.₂ à partir de l’eau, rendant le catalyseur bifonctionnel.

Les chercheurs ont publié leur étude dans Énergie de recherche nano.

« Ce qui limite réellement le développement et l’application pratique de la technologie d’électrolyse de l’eau, ce sont les matériaux électrocatalytiques. À l’heure actuelle, les catalyseurs courants, tels que les métaux précieux… sont pour la plupart des catalyseurs à fonction unique, ce qui limite l’application pratique de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène. la recherche et le développement de matériaux électrocatalytiques bifonctionnels efficaces, stables, bon marché et respectueux de l’environnement constituent un objectif principal dans le domaine de l’électrocatalyse », a déclaré Yifu Zhang, auteur principal de l’étude et chercheur à l’École de chimie de l’Université de technologie de Dalian.

Les alliages de siliciures de métaux de transition sont des composés uniques couramment utilisés dans les domaines liés à l’énergie, sont produits à moindre coût et s’avèrent prometteurs en tant qu’électrocatalyseurs potentiels pour l’hydrolyse de l’eau. Ces alliages sont fabriqués à partir de métaux de transition, qui sont d’excellents catalyseurs qui donnent et acceptent librement des électrons dans les réactions chimiques, et d’atomes de Si, qui améliorent la stabilité, la résistance à la chaleur et l’accessibilité des atomes de métaux de transition de l’alliage lorsque l’électricité est appliquée.

Fe et Ni, deux métaux de transition, conviennent parfaitement à une utilisation dans un siliciure de métal de transition pour la division de l’eau. “Le siliciure de nickel a été… étudié en profondeur pour sa faible résistance et sa forte activité métallique, en particulier… dans les domaines électrochimiques. De plus, de nombreuses études récentes ont montré que les matériaux à base de Fe-Ni ont un potentiel considérable dans le domaine de la division électrochimique de l’eau. L’objectif L’un des objectifs de ce travail était de développer une voie peu coûteuse et respectueuse de l’environnement pour préparer du siliciure de fer et de nickel en tant que catalyseur électrolytique à l’eau (EWS) bifonctionnel”, a déclaré Zhang.

L’équipe de recherche a fabriqué du FeNiSi en deux étapes. Tout d’abord, de la magadiite argileuse naturelle, source de silicium, de chlorure de fer et de chlorure de nickel, a été chauffée sous pression pour créer un silicate ferrique-nickel. Le silicate ferrique-nickel a ensuite été combiné et chauffé avec du magnésium et du chlorure de sodium (sel de table) pour développer la structure ordonnée de l’alliage FeNiSi. Il est important de noter que c’était la première fois qu’un alliage de siliciure métallique était fabriqué à l’aide de ce type de réaction chimique utilisant des silicates métalliques comme matériau de réaction.

Les techniques de microscopie électronique et de caractérisation aux rayons X ont révélé que le processus de fabrication créait de nombreuses structures de pores dans l’alliage FeNiSi final, augmentant ainsi sa surface spécifique et ses performances électrocatalytiques globales. L’alliage FeNiSi réduit le potentiel requis pour séparer l’oxygène et l’hydrogène de l’eau de 308 mV pour la réaction de dégagement d’oxygène (OER) et de 386 mV pour le HER, respectivement, à un courant de 10 mA·cm.⁻². L’électrocatalyseur a également démontré une durabilité suffisante après 15 heures d’utilisation.

L’équipe de recherche attend avec impatience que FeNiSi et d’autres silicates de métaux de transition contribuent à la synthèse d’hydrogène gazeux propre pour les besoins énergétiques futurs.

“Ce travail fournit non seulement une méthode simple pour la synthèse de siliciure intermétallique avec des structures poreuses considérables, mais permet également de considérer le siliciure intermétallique comme un électrocatalyseur bifonctionnel pour les EWS. Des électrocatalyseurs à base de siliciure intermétallique peu coûteux et efficaces offriront de nouvelles opportunités pour… les énergies renouvelables. conversion d’énergie”, a déclaré Zhang.

Parmi les autres contributeurs figurent Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao et Xueying Dong de l’École de chimie de l’Université de technologie de Dalian, à Dalian, en Chine ; Changgong Meng de l’École de chimie et du Collège de génie environnemental et chimique de l’Université de technologie de Dalian ; et Chi Huang du Collège de chimie et des sciences moléculaires de l’Université de Wuhan à Wuhan, en Chine.