L’évolution de l’hydrogène est une pierre angulaire de l’énergie propre, jouant un rôle essentiel dans la production d’hydrogène. Cependant, les catalyseurs traditionnels comme le platine sont d’un coût prohibitif, d’où la nécessité de trouver des alternatives. Les trichalcogénures de phosphore de métaux de transition, tels que NiPS3, constituent une option prometteuse en raison de leur structure unique. Cependant, leurs limites naturelles – faible activité catalytique et inertie du plan de base – ont bloqué les applications pratiques. Ces défis soulignent la nécessité d’une ingénierie des défauts innovante pour libérer tout leur potentiel.
Une équipe de chercheurs de l’université Konkuk a abordé cette question dans son étude. En utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) de premier principe, l’équipe a exploré différentes configurations de défauts dans le NiPS3, y compris les mono-vacances S, les mono-vacances Ni et les di-vacances NiS combinées. Ils ont constaté que la coformation des lacunes Ni et S réduisait non seulement l’énergie d’activation, mais améliorait également l’efficacité de la dissociation de l’eau et de l’adsorption des protons, ce qui fait du NiPS3 une alternative compétitive au platine pour les réactions d’évolution de l’hydrogène (HER).
L’étude examine en profondeur les mécanismes à l’origine de cette percée. Les chercheurs ont découvert que les monovacances S facilitaient l’adsorption de l’eau grâce à une liaison de type substitution S, tandis que les vacances Ni renforçaient les interactions avec les protons dissociés.
Les di-vacances NiS combinées ont apporté les améliorations les plus remarquables, avec des voies de réaction exothermiques et des changements d’énergie libre comparables à ceux du platine. L’analyse de la structure électronique a révélé que ces lacunes modifiaient considérablement la densité locale d’états (LDOS), optimisant à la fois la thermodynamique et la cinétique de la réaction. Cette synergie fait du NiPS3 modifié par des défauts un catalyseur prometteur et rentable pour la HER, montrant comment la conception au niveau atomique peut révolutionner les performances des matériaux dans les applications énergétiques.
« L‘ingénierie des défauts sur le NiPS3 ouvre de nouvelles frontières dans la catalyse de l’évolution de l’hydrogène », a déclaré le professeur Ki Chul Kim, chercheur principal. « Nos résultats démontrent comment des lacunes atomiques soigneusement conçues peuvent améliorer considérablement l’efficacité catalytique, ouvrant ainsi la voie à une production d’hydrogène évolutive et abordable. »
Au-delà de la production d’hydrogène, cette avancée a des implications pour d’autres processus catalytiques, tels que la réduction de l’oxygène et la réduction du CO₂. En étant encore affiné, le NiPS3 pourrait être à l’origine d’avancées transformatrices dans les technologies énergétiques propres, en réduisant les coûts et en accélérant le passage mondial à une économie de l’hydrogène. Cette recherche établit une nouvelle référence dans l’exploitation des défauts atomiques pour développer des catalyseurs durables et à haute performance pour les défis énergétiques de demain.
Légende illustration : Monocouche de NiPS₃ à ingénierie de défauts pour l’amélioration de l’évolution de l’hydrogène. Cette illustration montre l’amélioration catalytique des réactions d’évolution de l’hydrogène (HER) obtenue grâce à l’ingénierie des défauts dans les monocouches de NiPS₃. La création stratégique de lacunes dans le Ni et le S facilite la dissociation de l’eau et l’adsorption de protons, ce qui augmente considérablement l’efficacité de la production d’hydrogène. Credit: eScience
Article : « Unlocking power of neighboring vacancies in boosting hydrogen evolution reactions on two-dimensional NiPS3 monolayer » – DOI: 10.1016/j.esci.2023.100204
Source : Académie chinoise des sciences – Traduction Enerzine.com
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