Des scientifiques de l’université de Tsukuba montrent que l’utilisation d’une couche de graphène d’un seul atome d’épaisseur améliore l’activité catalytique du nickel ou du cuivre lors de la production d’hydrogène, ce qui pourrait permettre d’obtenir un carburant moins cher pour les automobiles à émission zéro.
Une équipe de chercheurs dirigée par l’Institut de physique appliquée de l’Université de Tsukuba a mis en évidence une méthode permettant de produire des catalyseurs résistant aux acides en les recouvrant de couches de graphène. Ils montrent que l’utilisation de quelques couches permet une plus grande pénétration des protons pendant une réaction d’évolution de l’hydrogène, ce qui est crucial pour maximiser l’efficacité lors de la production de H2 comme carburant.
Ces travaux pourraient conduire à la fabrication à l’échelle industrielle d’hydrogène comme source d’énergie entièrement renouvelable pour les véhicules qui ne contribuent pas au changement climatique.
Le rêve de voitures fonctionnant à l’hydrogène a enthousiasmé de nombreuses personnes qui y voient une solution à l’énorme quantité de dioxyde de carbone que les véhicules fonctionnant aux combustibles fossiles émettent quotidiennement dans l’atmosphère. Cependant, la production d’hydrogène gazeux a été ralentie par le manque de catalyseurs bon marché nécessaires pour fractionner efficacement l’eau. Dans ce processus, les noyaux d’hydrogène, appelés protons, doivent se combiner pour former de l’hydrogène gazeux, H2. Le nickel et les alliages à base de nickel sont considérés comme des alternatives bon marché prometteuses au platine, mais ces métaux se corrodent facilement lorsqu’ils sont exposés aux conditions acides de la réaction. Une solution consiste à utiliser le graphène, une feuille unique d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille, pour protéger le catalyseur. Cependant, le mécanisme par lequel la réaction a lieu restait mal compris.
Aujourd’hui, une collaboration internationale de recherche dirigée par l’université de Tsukuba a montré que l’utilisation de trois à cinq couches de graphène peut prévenir efficacement la corrosion tout en permettant partiellement aux protons de se combiner au catalyseur à travers les défauts de la structure en nid d’abeille. En outre, ils ont constaté que l’efficacité catalytique diminuait linéairement à mesure que l’on ajoutait des couches de graphène. « Ce résultat nous a permis de conclure que les protons doivent pénétrer à travers les couches de graphène afin de réagir à la surface du métal », explique le Dr Kailong Hu, auteur principal de l’étude. L’autre explication, selon laquelle les électrons remontent du métal pour que les protons puissent réagir à la surface extérieure du graphène, n’était pas un processus de réaction majeur confirmé par les expériences. Les travaux futurs porteront sur l’optimisation du nombre de couches de graphène afin d’équilibrer la résistance à la corrosion et l’activité catalytique.
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« Le carburant hydrogène est particulièrement écologique car il ne produit aucun gaz à effet de serre, tout en ayant une densité énergétique supérieure à celle de l’essence », explique le professeur Yoshikazu Ito. « Ainsi, nous pourrions bientôt être en mesure d’appuyer sur l’accélérateur sans laisser d’empreinte carbone« .
Les travaux sont publiés dans Nature Communications sous le titre « Catalytic Activity of Graphene-Covered Non-Noble Metals Governed by Proton Penetration in Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction » (DOI : 10.1038/s41467-020-20503-7).
[ Illustration – Crédit / https://www.tsukuba.ac.jp ]
