De meilleures solutions pour produire de l’hydrogène peuvent être directement en surface


De meilleures solutions pour produire de l'hydrogène peuvent être directement en surface

Les interactions uniques entre l’oxyde de pérovskite, sa couche de changeante et les espèces de fer actives vers les REL ouvrent une nouvelle la conception de matériaux actifs et stables et nous rapprochent d’une production efficace et abordable d’hydrogène . Crédit photo: Laboratoire National d’Argonne

Un avenir d’énergie propre alimenté par l’hydrogène dépend de la manière de diviser l’eau de manière fiable et efficace. En effet, bien que l’hydrogène soit abondant, il doit être dérivé d’une autre substance qui le contient – et aujourd’hui, cette substance est souvent du méthane. Les scientifiques recherchent des moyens d’isoler cet élément porteur d’énergie sans utiliser de combustibles fossiles. Cela ouvrirait la voie aux voitures à hydrogène, par exemple, qui n’émettent que de l’eau et de l’air chaud à l’échappement.

L’eau ou H2O combine l’hydrogène et l’oxygène. Les atomes d’hydrogène sous forme d’hydrogène moléculaire doivent être séparés de ce composé. Ce processus dépend d’une étape importante – mais souvent lente -: la réaction de dégagement d’oxygène (REL). La REL libère de l’oxygène moléculaire de l’eau et le contrôle de cette réaction est important non seulement pour la production d’hydrogène, mais aussi pour une grande variété de processus chimiques, y compris ceux des batteries.

Une étude menée par des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie met en évidence une qualité changeante de forme des oxydes de pérovskite, un matériau prometteur pour accélérer les REL. Les oxydes de pérovskite comprennent un certain nombre de composés, qui ont tous une structure cristalline similaire. Ils contiennent généralement un métal alcalino-terreux ou des lanthanoïdes comme La et Sr sur le site A et un métal de transition comme Co sur le site B, combiné avec de l’oxygène dans la formule ABO3. La recherche fournit des informations qui peuvent être utilisées pour développer de nouveaux matériaux non seulement pour produire des carburants renouvelables, mais aussi pour stocker de l’énergie.

Les oxydes de pérovskite peuvent provoquer le REL, et ils sont moins chers que les métaux précieux comme l’iridium ou le ruthénium, qui font également le travail. Cependant, les oxydes de pérovskite ne sont pas aussi actifs (en d’autres termes, ils sont efficaces pour accélérer les REL) que ces métaux et ont tendance à se dégrader lentement.

«Comprendre comment ces matériaux peuvent être actifs et stables a été une force motrice énorme pour nous», a déclaré Pietro Papa Lopes, chercheur au département de science des matériaux d’Argonne qui a dirigé l’étude. « Nous voulions étudier la relation entre ces deux propriétés et comment elles se rapportent aux propriétés de la pérovskite elle-même. »

Des recherches antérieures se sont concentrées sur les propriétés en vrac des matériaux de pérovskite et leur relation avec l’activité OER. Cependant, les chercheurs se sont demandé s’il y avait plus à l’histoire. Après tout, la surface d’un matériau sur laquelle il réagit avec son environnement peut être complètement différente des autres. Des exemples comme celui-ci peuvent être trouvés partout dans la nature: imaginez un avocat coupé en deux qui brunit rapidement là où il rencontre l’air, mais reste vert à l’intérieur. Pour les matériaux en pérovskite, avoir une surface différente de la masse peut avoir des implications importantes pour la compréhension de ses propriétés.

Dans les systèmes d’électrolyseurs d’eau qui divisent l’eau en hydrogène et en oxygène, les oxydes de pérovskite interagissent avec un électrolyte composé d’eau et d’espèces salines spéciales, créant une interface à travers laquelle l’appareil peut être utilisé. Lorsque l’alimentation électrique est appliquée, cette interface est essentielle pour démarrer le processus de division de l’eau. « La surface du matériau est l’aspect le plus important du déroulement de la réaction de dégagement d’oxygène: de combien de tension vous avez besoin et combien d’oxygène et d’hydrogène vous allez produire », a déclaré Lopes.

De meilleures solutions pour produire de l'hydrogène peuvent être directement en surface

Le développement de surface d’une pérovskite d’oxyde de cobalt de lanthane au cours du cycle électrochimique a lieu via la dissolution au site A et le développement du d’oxygène, moyennant quoi un film amorphe est formé qui est actif pour le développement de l’oxygène. Crédit photo: Laboratoire National d’Argonne

La surface de l’oxyde de pérovskite n’est pas seulement différente du reste du matériau, elle change également avec le temps. « Une fois dans un système électrochimique, la surface de la pérovskite se développe et se transforme en un film mince et amorphe », a déclaré Lopes. « Ce n’est jamais vraiment le même que le matériel avec lequel vous commencez. »

Les chercheurs ont combiné des calculs théoriques et des expériences pour déterminer comment la surface d’un matériau pérovskite s’est développée pendant la REL. Pour ce faire, ils ont étudié la pérovskite d’oxyde de cobalt et de lanthane et l’ont réglée en « dopant » le lanthane avec du strontium, un métal plus réactif. Plus le strontium était ajouté au matériau de départ, plus sa surface se développait rapidement et devenait active pour l’OER – un processus que les chercheurs ont pu observer à résolution atomique en utilisant la microscopie électronique à transmission. Les chercheurs ont découvert que la dissolution du strontium et la perte d’oxygène de la pérovskite favorisaient la formation de cette couche de surface amorphe, ce qui a été expliqué par une modélisation informatique réalisée à l’aide du Center for Nanoscale Materials, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

« La dernière pièce manquante pour comprendre pourquoi les pérovskites étaient actifs contre les REL était d’étudier le rôle de petites quantités de fer dans l’électrolyte », a déclaré Lopes. Le même groupe de chercheurs a récemment découvert que des traces de fer peuvent améliorer les REL sur d’autres surfaces d’oxyde amorphe. Lorsqu’ils ont découvert qu’une surface de pérovskite se développait en un oxyde amorphe, il est devenu clair pourquoi le fer est si important.

«Les études informatiques aident les scientifiques à comprendre les mécanismes de réaction qui impliquent à la fois la surface de la pérovskite et l’électrolyte», a déclaré Peter Zapol, physicien à Argonne et co-auteur de l’étude. « Nous nous sommes concentrés sur les mécanismes de réaction qui déterminent à la fois l’activité et les tendances de stabilité dans les matériaux de pérovskite. Cela n’est généralement pas fait dans les études informatiques qui se concentrent uniquement sur les mécanismes de réaction responsables de l’activité. »

L’étude a révélé que la surface de l’oxyde de pérovskite s’est développée en un film amorphe riche en cobalt de seulement quelques nanomètres d’épaisseur. Si du fer était présent dans l’électrolyte, le fer aidait à accélérer la REL, tandis que le film riche en cobalt avait un effet stabilisant sur le fer et le maintenait actif en surface.

Les résultats suggèrent de nouvelles stratégies possibles pour la conception de matériaux en pérovskite – on peut envisager de créer un système à deux couches qui, selon Lopes, est encore plus stable et peut promouvoir les REL.

« Les REL font partie de tant de processus, donc l’applicabilité ici est assez large », a déclaré Lopes. « En comprenant la dynamique des matériaux et leurs effets sur les processus de surface, nous pouvons rendre les systèmes de conversion et de stockage d’énergie meilleurs, plus efficaces et plus abordables. »

L’étude est décrite dans un article publié et mis en évidence sur la couverture du Journal de l’American Chemical Society, « Sites actifs dynamiquement stables à partir de l’évolution de surface des matériaux de pérovskite au cours du dégagement d’oxygène. »


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Plus d’information:
Pietro P. Lopes et coll. Sites actifs dynamiquement stables issus du développement de surface de matériaux pérovskites lors de la réaction de dégagement d’oxygène, Journal de l’American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021 / jacs.0c08959

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: De meilleures pour produire de l’hydrogène peuvent se trouver directement à la surface (2021, 9 avril), consulté le 10 avril 2021 sur https://phys.org/news/2021-04-solutions-hydrogen-surface.html

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