Dans l’optique de développer des sources d’énergie alternatives et propres, la production d’hydrogène à faible coût et efficace est une étape significative. L’électrolyse de l’eau, qui divise l’eau en ses éléments d’hydrogène et d’oxygène en utilisant un électro-catalyseur, offre une option viable pour la production d’hydrogène. Cependant, les catalyseurs traditionnels sont souvent à base d’éléments coûteux tels que le platine, ce qui rend difficile l’application de cette technologie à grande échelle.
Une étude récemment publiée révèle comment l’ajout de molybdène à un catalyseur à base de phosphure de nickel-cobalt et sa synthèse via un processus hydrothermal en gradient ont créé une microstructure unique qui a amélioré les performances du catalyseur. Cette combinaison innovante a permis d’obtenir une production d’hydrogène plus adaptée à une production à grande échelle.
« La combinaison innovante de processus hydrothermiques en gradient et de phosphuration forme une structure de microsphère, » a déclaré le professeur Yufeng Zhao de l’Université de Shanghai.
« Ces nanoparticules, d’un diamètre d’environ 5 à 10 nanomètres, forment des nano-aiguilles qui s’assemblent ensuite en une structure sphérique. Les nano-aiguilles offrent de nombreux sites actifs pour un transfert d’électrons efficace et la présence de particules de petite taille et de rugosité à l’échelle micro favorise la libération de bulles d’hydrogène.«
La technique du dopage élémentaire
Pour créer cette microstructure unique, les chercheurs ont utilisé une technique appelée dopage élémentaire. Le dopage élémentaire consiste en l’ajout intentionnel d’impuretés à un catalyseur pour améliorer son activité. Dans cette étude, du molybdène (Mo) a été ajouté au phosphure bimétallique nickel-cobalt (Ni-Co).
Les phosphures Ni-Co présentent déjà des performances électrocatalytiques exceptionnelles grâce à l’interaction des ions de cobalt et de nickel. Après l’ajout du molybdène et l’utilisation d’un processus hydrothermal en gradient, le Ni-CoP dopé au Mo a été déposé sur une mousse de nickel. C’est alors que la structure unique de nano-aiguilles s’est formée sur le phosphure.
« Le dopage en molybdène à l’état de traces optimise la structure électronique et augmente le nombre de sites électroactifs, » a déclaré Yufeng Zhao. Le catalyseur Ni-CoP dopé au Mo a été testé pour sa fiabilité, sa stabilité et ses performances. Sa densité est restée presque constante après 100 heures et sa structure a été bien conservée, en partie grâce à la structure unique des nano-aiguilles, qui empêchent le catalyseur de s’effondrer à mesure que l’hydrogène s’accumule.
Perspectives d’avenir
À l’avenir, les chercheurs espèrent tester la performance de la réaction dans différentes solutions, comme les solutions acides et neutres. Des études futures se pencheront également sur les alternatives à la mousse de nickel, telles que le maillage de titane, qui peut fonctionner sur l’ensemble de la gamme de pH.
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« Dans les travaux futurs, nous recommandons d’explorer l’application du catalyseur dans la production d’hydrogène assistée par l’oxydation de petites molécules, comme l’urée. Cette approche réduirait la surpotentiel de l’électrolyse de l’eau et atténuerait la pollution environnementale causée par les eaux usées d’urée, » a ajouté Yufeng Zhao.
En synthèse
Cette avancée majeure dans la production d’hydrogène à faible coût et efficace ouvre la voie à une mise en œuvre plus vaste de cette technologie. L’ajout de molybdène à un catalyseur à base de phosphure de nickel-cobalt, ainsi que l’utilisation d’un processus hydrothermal en gradient, ont créé une microstructure unique qui améliore les performances du catalyseur.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le dopage élémentaire ?
Le dopage élémentaire est une technique qui consiste à ajouter intentionnellement des impuretés à un catalyseur pour en améliorer l’activité. Dans le cas présent, du molybdène a été ajouté à un catalyseur à base de phosphure de nickel-cobalt pour améliorer ses performances électrocatalytiques.
Qu’est-ce que l’électrolyse de l’eau ?
L’électrolyse de l’eau est un processus qui divise l’eau en ses éléments d’hydrogène et d’oxygène à l’aide d’un électro-catalyseur. Cette méthode offre une option viable pour la production d’hydrogène, en particulier si les catalyseurs utilisés peuvent être produits à un coût plus bas.
Qu’est-ce qu’un processus hydrothermal en gradient ?
Un processus hydrothermal en gradient est une méthode de synthèse au cours de laquelle le catalyseur est chauffé à différents degrés de température au fil du temps. Dans cette étude, le catalyseur a été chauffé à 100 degrés, 150 degrés, puis 180 degrés Celsius sur une période de 10 heures. Ce processus a contribué à créer une microstructure unique qui a amélioré les performances du catalyseur.
Quelles sont les perspectives d’avenir de cette recherche ?
À l’avenir, les chercheurs envisagent de tester la performance de la réaction dans différentes solutions, telles que les solutions acides et neutres. Des alternatives à la mousse de nickel, comme le maillage de titane, seront également étudiées. Les travaux futurs pourraient également explorer l’application du catalyseur dans la production d’hydrogène assistée par l’oxydation de petites molécules, comme l’urée.
L’article « Highly Efficient and Stable Electrocatalyst for Hydrogen Evolution by Molybdenum Doped Ni-Co Phosphide Nanoneedles at High Current Density » a été publié dans Nano Research le 26 juillet 2023. DOI : 10.1007/s12274-023-5892-7
