Deux nouveaux catalyseurs de production d’hydrogène à base de gel minéral et d’alliage de nano-aluminium biphasé « cristallin-amorphe »

L’énergie hydrogène propre est une bonne alternative aux combustibles fossiles et est essentielle pour atteindre la neutralité carbone. Les chercheurs du monde entier cherchent des moyens d’améliorer l’efficacité et de réduire le coût de la production d’hydrogène, notamment en améliorant les catalyseurs impliqués. Récemment, une équipe de recherche de la City University of Hong Kong (CityU) a développé un nouvel électrocatalyseur de réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) ultra-stable, basé sur des nanofeuilles de gel minéral bidimensionnel et ne contenant aucun métal précieux. Le catalyseur peut être produit à grande échelle et peut aider à réduire le prix de l’hydrogène à l’avenir.

La réaction électrochimique de dégagement d’hydrogène (HER) est une méthode de génération d’hydrogène largement utilisée. Mais les électrocatalyseurs HER commerciaux sont fabriqués à partir de métaux précieux, qui sont chers. D’autre part, les catalyseurs à un seul atome ont un potentiel prometteur dans les applications catalytiques HER en raison de leur activité élevée, de leur efficacité atomique maximisée et de leur utilisation réduite du catalyseur. Mais le processus de fabrication conventionnel des catalyseurs à un seul atome est compliqué. Il s’agit généralement d’introduire le métal à un seul atome ciblé dans le précurseur du substrat suivi d’un traitement thermique, généralement supérieur à 700 ℃, ce qui nécessite beaucoup d’énergie et de temps.

À cet égard, une équipe de recherche codirigée par des scientifiques des matériaux de CityU a mis au point un moyen innovant, rentable et économe en énergie de produire un électrocatalyseur à atome unique HER très efficace qui utilise des nanofeuilles d’hydrogel minéral sans métal précieux comme précurseur. .

« Par rapport à d’autres précurseurs de substrats à un seul atome courants, tels que les cadres poreux et le carbone, nous avons constaté que les hydrogels minéraux présentent de grands avantages pour la production de masse d’électrocatalyseurs en raison de la disponibilité facile des matières premières, d’une procédure de synthèse simple et respectueuse de l’environnement, et conditions de réaction douces », a déclaré le professeur Lu Jian, professeur titulaire au Département de génie mécanique (MNE) et au Département de science et génie des matériaux (MSE) à CityU, qui a dirigé la recherche.

Leur précurseur d’électrocatalyseur est préparé selon une méthode simple. Tout d’abord, des solutions d’acide polyoxométalate (PMo) et d’ions ferriques (Fe3+) sont mélangés à température ambiante, ce qui donne de nouvelles nanofeuilles bidimensionnelles de fer-acide phosphomolybdique. Après élimination de l’excès d’eau par centrifugation, les nanofeuilles deviennent un hydrogel minéral exempt de toute molécule organique. Le processus est beaucoup plus pratique et économique que les processus précédemment rapportés qui nécessitent généralement une température et une pression élevées, et un temps plus long pour l’auto-assemblage de précurseurs de substrat à un seul atome.

Après un autre traitement de phosphatation (à 500 ℃) de ce précurseur de gel minéral, un catalyseur de nanofeuillet hétérogène dispersé à un seul atome de fer (« Fe/SAs@Mo-based-HNSs ») est formé, évitant le processus de fabrication fastidieux de chargement d’atomes simples sur le substrat.

Les expériences ont montré que le nouveau catalyseur présente une excellente activité électrocatalytique et une durabilité à long terme dans le HER, manifestant une surtension de seulement 38,5 mV à 10 mA cm−2et ultra stabilité sans détérioration des performances sur 600 heures à une densité de courant jusqu’à 200 mA cm−2.

« Il s’agit de l’une des meilleures performances obtenues par les électrocatalyseurs HER non en métal noble », a déclaré le professeur Lu. « L’idée unique d’utiliser un gel minéral pour synthétiser des catalyseurs hétérogènes dispersés monoatomiques fournit une base théorique et une orientation importantes pour la prochaine étape de production évolutive de catalyseurs bon marché et efficaces, ce qui peut contribuer à réduire le coût de la production d’hydrogène à long terme. « 

Leurs conclusions ont été publiées dans la revue scientifique Communication Nature sous le titre « Hétérostructures ancrées à des atomes uniques dérivés d’hydrogels minéraux bidimensionnels pour l’évolution ultrastable de l’hydrogène ».

Le premier auteur de l’article est le Dr Lyu Fucong de CityU. Les auteurs correspondants sont le professeur Lu, le Dr Li Yangyang, professeur associé en MSE, et le Dr Sun Ligang, professeur adjoint à l’École des sciences de l’Institut de technologie de Harbin.

La recherche a été soutenue par le Shenzhen-Hong Kong Science and Technology Innovation Cooperation Zone Shenzhen Park Project, le National Key R&D Program of China, la National Natural Science Foundation of China, la Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation, la Science, Technology and Commission de l’innovation de la municipalité de Shenzhen et Commission de l’innovation et de la technologie de Hong Kong via la branche de Hong Kong du Centre national de recherche sur l’ingénierie des matériaux en métaux précieux de CityU.

Pour résoudre le problème du coût élevé des électrocatalyseurs commerciaux à base de platine, l’équipe dirigée par le professeur Lu a récemment fait une autre percée. Ils ont fourni une solution grâce à la conception rationnelle d’un alliage nanostructuré pour développer un électrocatalyseur à faible coût et haute performance.

L’équipe du professeur Lu a mené des recherches approfondies sur les nanostructures d’alliage qui ont simultanément des phases cristallines et amorphes. Ils ont découvert que l’inhomogénéité chimique locale, l’ordre à courte portée et la distorsion sévère du réseau dans la phase nanocristalline sont souhaitables pour une application en catalyse, tandis que la phase amorphe peut offrir des sites actifs abondants avec une barrière d’énergie plus faible pour la réaction de dégagement d’hydrogène. Par conséquent, ils ont consacré leurs efforts de recherche à la conception et à la construction d’alliages biphasés pour être d’excellents électrocatalyseurs pour la production d’hydrogène.

Ils ont proposé une nouvelle stratégie de conception d’alliages et de nanostructures basée sur la thermodynamique. Tout d’abord, ils ont prédit la plage de composition de la formation à double phase « cristal-amorphe » en fonction de la capacité de formation amorphe (GFA). Ensuite, en utilisant la méthode facile de co-pulvérisation au magnétron, ils ont préparé avec succès le catalyseur en alliage à base d’aluminium avec une nanostructure biphasée « cristalline-amorphe ».

Grâce à cette nanostructure, le nouveau catalyseur a montré de meilleures performances électrocatalytiques en solution alcaline que l’électrocatalyseur commercial à base de platine, avec une surtension de seulement 28,8 mV à 10 mA cm-2.

« Dans ce nouveau catalyseur en alliage à base d’aluminium, nous utilisons du ruthénium, qui est moins cher que le platine, comme composant de métal noble. Il peut donc être moins coûteux que les électrocatalyseurs commerciaux à base de platine », a déclaré le professeur Lu. « Et en dehors de l’évolution de l’hydrogène, le mécanisme d’électrocatalyse nano-biphasé peut être appliqué à d’autres systèmes catalytiques. La conception de la nanostructure en » verre cristal « offre une nouvelle approche pour développer des catalyseurs de nouvelle génération. »

Les conclusions ont été publiées dans Avancées scientifiques, sous le titre « Un électrocatalyseur à base d’Al nanostructuré en verre cristal pour la réaction de dégagement d’hydrogène ». Le Dr Liu Sida, ancien post-doctorant (actuellement professeur à l’Université du Shandong), et M. Li Hongkun, doctorant MSE, sont les co-premiers auteurs. Les auteurs correspondants sont le professeur Lu et le Dr Li de CityU, et le professeur Wu Ge de l’Université Xi’an Jiaotong. Parmi les autres chercheurs de CityU figurent le Dr Zhou Binbin, ancien postdoctorant au MNE (actuellement professeur associé de recherche à l’Institut national d’innovation des matériaux électroniques avancés de Shenzhen), M. Zhong Jing et Mlle Li Lanxi, tous deux doctorants MSE, et M. Yan Yang, MNE Doctorant.

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