Nouvelle eau stable

Des chercheurs ont mis au point un catalyseur d'anode au dioxyde de ruthénium (Ni-RuO2) stabilisé au nickel pour l'électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons (PEM). Le ruthénium - un métal précieux plus abondant - constitue une alternative prometteuse à l'iridium plus rare et plus cher - actuellement le catalyseur anodique pratique pour l'électrolyse.

Le catalyseur Ni-RuO2 présente une activité et une durabilité élevées dans les OER acides pour l'électrolyse de l'eau PEM. Bien que le RuO2 vierge montre une faible stabilité OER acide et se dégrade en une courte période de fonctionnement continu, l'incorporation de Ni stabilise considérablement le réseau RuO2 et prolonge sa durabilité de plus d'un ordre de grandeur.

Un schéma montre l'électrolyseur d'eau expérimental développé à Rice pour utiliser un catalyseur au ruthénium dopé au nickel. Illustration de Zhen-Yu Wu

Un article sur les travaux du laboratoire de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Haotian Wang de la George R. Brown School of Engineering de Rice et de ses collègues de l'Université de Pittsburgh et de l'Université de Virginie est publié dans Nature Materials.

Lorsqu'il est appliqué à l'anode d'un électrolyseur d'eau PEM, notre catalyseur Ni-RuO2 a démontré une stabilité > 1 000 h sous un courant de séparation de l'eau de 200 mA cm-2, suggérant un potentiel d'applications pratiques. Des études de la théorie fonctionnelle de la densité, couplées à une analyse par spectroscopie de masse électrochimique différentielle operando, ont confirmé le mécanisme d'évolution de l'adsorbat sur Ni-RuO2, ainsi que le rôle critique des dopants Ni dans la stabilisation du Ru de surface et de l'oxygène souterrain pour une meilleure durabilité des OER.

L'iridium coûte environ huit fois plus que le ruthénium, a déclaré Wang, et il pourrait représenter 20 à 40 % des dépenses de fabrication d'appareils commerciaux, en particulier dans les futurs déploiements à grande échelle.

La séparation de l'eau implique les réactions de dégagement d'oxygène et d'hydrogène par lesquelles des catalyseurs polarisés réarrangent les molécules d'eau pour libérer de l'oxygène et de l'hydrogène.

La cathode est très stable et ne pose pas de gros problèmes, mais l'anode est plus sujette à la corrosion lors de l'utilisation d'un électrolyte acide. Les métaux de transition couramment utilisés comme le manganèse, le fer, le nickel et le cobalt s'oxydent et se dissolvent dans l'électrolyte. C'est pourquoi le seul matériau pratique utilisé dans les électrolyseurs commerciaux d'eau à membrane échangeuse de protons est l'iridium. C'est stable pendant des dizaines de milliers d'heures, mais c'est très cher.

Le laboratoire travaille à l'amélioration de son catalyseur au ruthénium pour l'insérer dans les processus industriels actuels.

Maintenant que nous avons atteint ce jalon de stabilité, notre défi est d'augmenter la densité de courant d'au moins cinq à dix fois tout en maintenant ce type de stabilité. C'est très difficile, mais toujours possible.

La production annuelle d'iridium ne nous aidera pas à produire la quantité d'hydrogène dont nous avons besoin aujourd'hui. Même l'utilisation de tout l'iridium produit dans le monde ne générera tout simplement pas la quantité d'hydrogène dont nous aurons besoin si nous voulons qu'il soit produit par électrolyse de l'eau. Cela signifie que nous ne pouvons pas compter entièrement sur l'iridium. Nous devons développer de nouveaux catalyseurs pour réduire son utilisation ou l'éliminer complètement du processus.

Boyang Li de l'Université de Pittsburgh est co-auteur principal de l'article. Les co-auteurs sont Peng Zhu, étudiant diplômé de Rice; étudiant diplômé Shen-Wei Yu à Virginia; le physicien Zou Finfrock au Laboratoire national d'Argonne ; la scientifique Debora Motta Meira d'Argonne et Canadian Light Source; Zhouyang Yin, ancien élève de Virginie; et Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song et Hai-Wei Liang de l'Université des sciences et technologies de Chine, Hefei. Les auteurs co-correspondants sont Sen Zhang, professeur agrégé de chimie à Virginia, et Guofeng Wang, professeur de science mécanique et des matériaux à Pittsburgh. Haotian Wang est titulaire de la chaire William Marsh Trustee chez Rice et professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire.

La recherche a été soutenue par la Welch Foundation (C-2051-20200401), la David and Lucile Packard Foundation (2020–71371), un Roy E. Campbell Faculty Development Award, la National Science Foundation (1905572, 2004808), l'Université de Pittsburgh Center for Research Computing et Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory.

Ressources

Wu, ZY., Chen, FY., Li, B. et al. (2022) "Électrocatalyseur à base d'iridium pour une réaction durable d'évolution de l'oxygène acide dans l'électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons." Nat. Mater. doi : 10.1038/s41563-022-01380-5

Publié le 22 octobre 2022 dans Catalyseurs, Hydrogène, Production d'hydrogène, Contexte du marché | Lien permanent | Commentaires (1)