Dans une récente étude, des chercheurs ont mis en lumière une technique innovante pour la croissance de nano-architectures d’oxyde métallique binaire et d’hydroxydes doubles en couches sur des mousses de nickel pour des applications électro-catalytiques. Cette recherche permettrait de réaliser des avancées significatives dans la production d’hydrogène à grande échelle.
La production électrochimique d’hydrogène à grande échelle par électrolyse de l’eau nécessite le développement d’électrocatalyseurs pour surmonter les barrières d’énergie cinétique pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER). Ces électrocatalyseurs doivent être actifs, stables et peu coûteux.
Parmi les différents candidats, les catalyseurs à base de nickel non précieux, en particulier les catalyseurs Ni-Mo, ont été largement reconnus pour l’HER alcalin, et les hydroxydes doubles en couches (LDHs) à base de métaux de transition (Fe, Co, Ni) pour les catalyseurs OER dans les milieux alcalins.
Cependant, ces électrocatalyseurs sont généralement synthétisés par des méthodes hydrothermales ou solvothermales, nécessitant des autoclaves et des solvants, et sont également longs à produire et nécessitent une grande quantité d’énergie.
La nouvelle technique
Pour relever ces défis, l’équipe, qui a été la première à synthétiser des électrocatalyseurs par laser, a développé cette alternative à la méthode hydrothermale conventionnelle, par irradiation laser d’un substrat immergé dans un liquide contenant des précurseurs de sel métallique.
Lorsque le faisceau laser interagit à l’interface entre le liquide (contenant des précurseurs Ni/Mo ou Fe/Ni) et le substrat de nickel, il génère une condition de haute température et de haute pression, qui satisfait l’exigence de croissance de l’oxyde métallique sur le substrat.
La croissance de nanofeuilles de NiMoO4 ou d’hydroxyde double en couches NiFe se produit alors sur les mousses de nickel grâce au mécanisme de réaction hydrothermale.
Les commentaires des chercheurs
Le premier auteur, le Dr Yang Sha, de l’Université de Manchester, a indiqué : « Ces nanostructures produites par le LIHR présentent une excellente activité catalytique pour la division globale de l’eau, et plus important encore, avec une durabilité supérieure, sous une densité de courant industrielle, à la majorité des catalyseurs rapportés, et des catalyseurs métalliques précieux commerciaux. De plus, le LIHG améliore le taux de production de plus de 19 fois, mais ne consomme que 27,78% de l’énergie totale requise par les méthodes hydrothermales conventionnelles pour atteindre la même production».
Le professeur Zhu Liu, de l’Académie chinoise des sciences, de l’Institut de technologie et d’ingénierie des matériaux de Ningbo, a ajouté : « Le LIHR a été signalé pour la première fois en 2013 par Yeo et al. pour produire des nanofils de ZnO locaux par des réactions photo-thermiques. Cette technique est rapide, polyvalente, évolutive et rentable, permettant la synthèse directe de nanostructures d’oxyde métallique. Cependant, cette technique a été peu étudiée et ses applications potentielles restent à explorer. Nous espérons que cette étude offre une nouvelle voie pour la synthèse rapide d’électrodes électro-catalytiques autoportantes. Nous continuons à étendre ses applications, y compris la croissance LIHR de films minces d’oxyde métallique nanostructuré (ZnO, SnO2) pour les cellules solaires à pérovskite ».
En synthèse
Cette nouvelle technique basée sur une réaction hydrothermale induite par laser pourrait révolutionner la production d’électrocatalyseurs pour la production d’hydrogène à grande échelle. Elle offre une alternative plus rapide, plus économe en énergie et plus rentable aux méthodes conventionnelles.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la réaction hydrothermale induite par laser (LIHR) ?
La LIHR est une technique qui utilise un laser pour induire une réaction hydrothermale. Elle est utilisée pour la croissance de nanoarchitectures d’oxyde métallique binaire et d’hydroxydes doubles en couches sur des mousses de nickel pour des applications électrocatalytiques.
Quels sont les avantages de la LIHR par rapport aux méthodes conventionnelles ?
La LIHR est plus rapide, plus économe en énergie et plus rentable que les méthodes conventionnelles. Elle permet également une synthèse directe de nanostructures d’oxyde métallique.
Quels sont les défis actuels dans la production d’hydrogène à grande échelle ?
La production d’hydrogène à grande échelle nécessite le développement d’électrocatalyseurs actifs, stables et peu coûteux. Les méthodes actuelles de synthèse de ces électrocatalyseurs sont longues et nécessitent une grande quantité d’énergie.
Quels sont les résultats de l’étude sur la LIHR ?
L’étude a montré que les nanostructures produites par la LIHR présentent une excellente activité catalytique pour la division globale de l’eau, avec une durabilité supérieure à la majorité des catalyseurs rapportés et des catalyseurs métalliques précieux commerciaux.
Quelles sont les futures applications de la LIHR ?
Les chercheurs espèrent que la LIHR pourra être utilisée pour la synthèse rapide d’électrodes électrocatalytiques autoportantes et pour la croissance de films minces d’oxyde métallique nanostructuré pour les cellules solaires à pérovskite.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La LIHR est une nouvelle technique pour la croissance de nanoarchitectures d’oxyde métallique binaire. |
| La LIHR est plus rapide, plus économe en énergie et plus rentable que les méthodes conventionnelles. |
| Les nanostructures produites par la LIHR présentent une excellente activité catalytique pour la division globale de l’eau. |
| La LIHR améliore le taux de production d’hydrogène de plus de 19 fois. |
| La LIHR consomme seulement 27,78% de l’énergie des méthodes conventionnelles. |
| La LIHR pourrait être utilisée pour la synthèse rapide d’électrodes électrocatalytiques autoportantes. |
| La LIHR pourrait être utilisée pour la croissance de films minces d’oxyde métallique nanostructuré pour les cellules solaires à pérovskite. |
| Les chercheurs espèrent que la LIHR ouvrira la voie à de nouvelles applications et à une exploration plus approfondie de cette technique. |
Références
Légende illustration principale : La croissance hydrothermale induite par laser (LIHG) peut se produire dans l’atmosphère ambiante pour préparer des électrodes intégrées avec des réseaux de nanofeuillets denses sur des mousses de nickel pour l’électrocatalyse (avec ou sans traitement ultérieur). Crédit : By Yang Sha, Menghui Zhu, Kun Huang, Yang Zhang, Francis Moissinac, Zhizhou Zhang, Dongxu Cheng, Paul Mativenga and Zhu Liu.
Article : « International Journal of Extreme Manufacturing » – DOI: 10.1088/2631-7990/ad038f
