Catalyseur à haut rendement et à faible coût pour l’électrolyse de l’eau

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Sangaraju Shanmugam de la science et de l’ingénierie de l’énergie au DGIST a développé un électrocatalyseur nanostructuré à cœur-coquille hautement efficace et ultra-durable et a remplacé avec succès l’anode précieuse dans l’électrolyse de l’eau, grâce à la collaboration avec le groupe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Le remplacement des carburants conventionnels par des ressources énergétiques renouvelables est une approche appropriée pour atteindre un environnement écologique et diminuer les demandes énergétiques futures. Ainsi, la génération ou la conversion d’énergie électrochimique dans les dispositifs d’énergie renouvelable, qui dépend des réactions anodiques et cathodiques, a reçu beaucoup d’attention.

Dans la division électrocatalytique de l’eau, l’oxygène gazeux génère dans l’anode en raison de la réaction d’évolution de l’oxygène (OER), une réaction électrochimique lente par rapport à la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER). Ainsi, un électrocatalyseur approprié est nécessaire pour la division électrocatalytique stable de l’eau.

Le développement d’électrocatalyseurs OER efficaces, durables et à faible coût est important pour les dispositifs énergétiques à électrolyseur d’eau. Jusqu’à présent, les oxydes de ruthénium et d’iridium étaient considérés comme des électrocatalyseurs de pointe dans l’OER, mais le manque de stabilité limite leur utilisation dans la séparation de l’eau à grande échelle, ce qui empêche une commercialisation à grande échelle.

L’équipe du professeur Shanmugam, ainsi que des chercheurs du PNNL, se sont concentrés sur le développement d’un électrocatalyseur alternatif à faible coût et sans métal noble pour remplacer l’électrode anode en métal noble dans la séparation efficace de l’eau. Le métal supporté par du carbone est considéré comme un matériau électrocatalytique efficace pour améliorer l’OER dans la séparation de l’eau. Jusqu’à présent, la plupart des électrocatalyseurs développés présentaient une teneur élevée en carbone et une teneur moindre en métal actif. La quantité plus élevée de carbone a englué les sites actifs métalliques réels et a entraîné une corrosion plus rapide du carbone. Cela a conduit à une activité électrocatalytique plus faible.

Dans l’étude, les chercheurs ont constaté qu’un grand nombre d’ions métalliques inorganiques de cobalt pontés par des ligands organiques dans le bleu de Prusse sont un précurseur approprié pour développer des électrocatalyseurs à cœur-coquille ultra-stables, riches en métaux, encapsulés dans des nanocarbones graphitiques dopés à l’azote pour le REL (anode) paresseux dans la division de l’eau.

Lorsqu’ils sont chauffés (600 à 900 degrés C) dans une atmosphère inerte, les ions métalliques de cobalt et les ligands organiques dans le sel sont transformés en couches minces de carbone cobalt métallique et graphitique dopé à l’azote, respectivement, qui forment la couche mince de carbone, métallique encapsulée, des nanostructures cœur-coquille de cobalt (Core-Shell Co@NC). Les couches minces de carbone ont une forte interaction avec le métal de cobalt, qui favorisent moins de corrosion du carbone, présentent un excellent mouvement d’électrons, et ont plus d’exposition du métal de cobalt au milieu réactionnel, y compris la formation d’une morphologie nanométrique sans agrégation de particules.

L’effet combiné du carbone et du métal de cobalt dans les électrodes atteint une activité électrocatalytique de REL plus efficace que les électrodes de métaux précieux pour une division efficace de l’eau. Par conséquent, l’électrode riche en métaux non nobles est une anode OER alternative, active, stable et moins coûteuse pour la production rentable de gaz H2 dans l’électrolyse de l’eau à l’échelle commerciale.

« Nous prévoyons qu’il s’agit d’une approche unique pour développer des nanostructures composites carbone réduit riches en métaux qui ont des sites actifs métalliques améliorés, qui présentent une protection de la couche de carbone mince et un mouvement ultra-rapide des électrons dans la surface du catalyseur, qui amélioreront l’activité électrochimique et la stabilité des électrocatalyseurs », déclare le professeur Shanmugam. « Nous réaliserons les études de suivi qui pourront être utilisées pour comprendre le véritable mécanisme de REL sur les espèces actives en présence d’un revêtement de nanocarbone. »

Ce résultat de recherche a été publié dans l’édition en ligne de Advanced Energy Materials le 11 janvier 2018, une revue internationale réputée dans le domaine des matériaux émergents.

Interview du professeur Sangaraju Shanmugam (Département des sciences de l’énergie & Ingénierie):

Q. Quelles sont les différences par rapport aux études précédentes ?

A. Dans les études précédentes, les chercheurs ont préparé les métaux recouverts de carbone à partir de divers précurseurs, y compris les cadres métallo-organiques (MOF). Les catalyseurs obtenus présentent plus de carbone avec une nature graphitique réduite, et le carbone a recouvert les sites métalliques actifs. Ainsi, la plupart des sites métalliques actifs ne sont pas utilisés correctement par les réactions électrochimiques. De plus, en raison de la corrosion substantielle du carbone, ces catalyseurs ne sont pas assez appropriés pour le lent OER dans la séparation de l’eau à un potentiel positif plus élevé avec un manque d’instabilité dans des conditions d’électrolyte difficiles. En conséquence, dans ce travail, nous avons préparé un électrocatalyseur riche en métal, encapsulé dans de fines couches de nanocarbone (NC), constitué de nanostructures Co@NC à cœur-coquille, à partir d’un seul précurseur analogue au bleu de Prusse (PB). Le Co@NC a montré une activité d’évolution de l’oxygène et une ultrastabilité accrues sur le collecteur de courant de la mousse de nickel. Dans l’ensemble, les couches de carbone minces et uniformes permettent des mouvements d’électrons rapides, l’utilisation de plus de sites actifs métalliques et une pénétration facile de l’électrolyte. Plus important encore, il peut protéger les sites métalliques actifs de la corrosion avec une exposition minimale et aussi la forte interaction entre le métal et les couches de carbone présente l’effet synergique vers l’excellente activité et l’ultra-stabilité (plus de 350 h) des nanostructures Co@NC core-shell avec moins de possibilité d’oxydation du carbone.

Q. Comment peut-il être utilisé ?

A. Sur la base de la performance remarquable de l’OER, de la cinétique et de la stabilité à long terme des nanostructures Co@NC core-shell par rapport aux électrocatalyseurs de pointe à base de métaux nobles, tels que IrO2 et RuO2, c’est le candidat le plus approprié pour remplacer les électrodes OER en métal précieux pour réduire le coût global du système d’électrolyseur d’eau. Ainsi, le développement d’un électrocatalyseur de métal non noble efficace et durable dans l’électrolyseur d’eau est le principal obstacle à la commercialisation réussie des électrolyseurs d’eau.

Q. Combien de temps sera-t-il nécessaire pour la commercialisation ?

A. Le procédé est facilement disponible pour la fabrication de catalyseurs rentables. Mais nous devons encore évaluer l’intégration de ce système catalytique dans un électrolyseur à membrane d’électrolyte polymère .Des études sont en cours pour comprendre le mécanisme d’OER sur cet électrocatalyseur. Donc pour la commercialisation, cela peut prendre un an avec une compréhension complète de l’activité et de la stabilité.

Q. Quels sont les défis pour la commercialisation ?

A. Nous devons faire le revêtement uniforme de ce catalyseur sur les collecteurs de courant de plus grande taille sans aucun pelage. Nous devons donc trouver une méthodologie de revêtement plus appropriée. En outre, comme pour les électrocatalyseurs OER précieux, nous devons comprendre le mécanisme précis de l’OER sur ces électrocatalyseurs pour maintenir/éviter les pertes d’activité dues aux réactions secondaires indésirables, etc.

Q. Quelle est la motivation de votre recherche ?

A. La motivation principale de ce travail est de remplacer l’anode précieuse dans les systèmes d’électrolyseurs d’eau avec une activité et une stabilité élevées. Donc, pour améliorer l’activité et la stabilité, nous avons essayé d’introduire le revêtement de carbone très mince sur les sites actifs métalliques. Dans l’ensemble, le développement d’électrocatalyseurs OER riches en métaux et sans carbone avec une utilisation appropriée des espèces actives métalliques et un effet synergique métal-carbone pour surmonter la réaction anodique léthargique dans l’électrolyse de l’eau.

Q. Quel est l’objectif final que vous souhaitez atteindre grâce à cette recherche ?

A. Sur la base de cette recherche, nous comprenons que les électrocatalyseurs riches en métaux sont parmi les matériaux les plus appropriés pour une excellente activité de REL. Nous voulons donc préparer les électrocatalyseurs anodiques les moins chers en utilisant la même méthodologie et éliminer l’utilisation d’électrodes précieuses dans le système d’électrolyseur d’eau pour la production d’hydrogène vert et durable à grande échelle.

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