Des chercheurs de l’Université Tohoku au Japon ont conçu un catalyseur associant oxyde de fer et oxyde de samarium, capable d’accélérer la réaction chimique au cœur des batteries zinc-air. Publiée dans Angewandte Chemie International Edition, cette percée écarte le recours au platine et esquisse une trajectoire de baisse des coûts pour le stockage d’énergie de nouvelle génération.
Produire de l’électricité à partir de l’air ambiant avec une batterie bon marché, abondante et durable, tel est le concept des accumulateurs zinc-air qui mobilise les laboratoires depuis des décennies. Un goulet d’étranglement persistait néanmoins au cœur de la réaction chimique qui les anime. Une équipe de l’Université Tohoku, au Japon, vient de proposer une solution fondée sur un matériau aussi banal que le fer.
Le frein moléculaire du fer
La réaction de réduction de l’oxygène, processus central qui permet à une batterie zinc-air de générer un courant, dépend historiquement de catalyseurs à base de métaux nobles, le platine en tête. L’oxyde de fer (Fe₂O₃) représente une alternative abondante et stable, mais sa propension à lier trop fortement les intermédiaires hydroxyles ralentit la cinétique de la réaction. Les chercheurs japonais ont contourné cet obstacle en associant l’oxyde de fer à de l’oxyde de samarium (Sm₂O₃).
Résultat : une hétérointerface Fe₂O₃/Sm₂O₃ étroitement couplée, où la liaison excessive entre le fer et les groupes hydroxyles se trouve affaiblie. Le mécanisme sous-jacent fait intervenir une redistribution des charges électriques, une hybridation des orbitales atomiques et, selon les termes de l’étude, une modulation de spin par super-échange. En clair, un réglage fin des propriétés électroniques et magnétiques à la jonction des deux oxydes, qui déverrouille la vitesse de la réaction.
De la paillasse au smartphone
L’équipe ne s’est pas arrêtée aux mesures de laboratoire. Le catalyseur a alimenté une lampe LED et rechargé un smartphone, deux démonstrations qui attestent de son comportement en conditions réelles.
« Le catalyseur atteint une activité ORR élevée, une cinétique de réaction améliorée, une excellente durabilité et des performances supérieures aussi bien dans les batteries zinc-air liquides que dans les batteries zinc-air flexibles tout-solide », a déclaré Hao Li, professeur distingué à l’Institut de recherche avancée sur les matériaux (WPI-AIMR) de l’Université Tohoku. « Pour le grand public, cela signifie que nous sommes peut-être plus proches de technologies d’énergie propre abordables et durables. »
Une alternative au lithium-ion
La technologie zinc-air suscite un intérêt grandissant face aux limites des batteries lithium-ion, qu’il s’agisse du coût des matières premières, de la sécurité ou de l’empreinte environnementale. Le zinc, lui, est bon marché, largement disponible et recyclable. Sa haute densité d’énergie théorique en fait un candidat crédible pour l’électronique portable, les dispositifs connectés, les transports électriques et le stockage des énergies renouvelables à grande échelle. Reste que la commercialisation butait jusqu’ici sur la nécessité d’employer des catalyseurs onéreux.
En démontrant qu’une combinaison de fer et de samarium peut rivaliser avec les métaux précieux, l’étude ouvre une brèche. Les chercheurs ont indiqué que leurs prochains travaux viseront à étendre cette stratégie de régulation de spin interfaciale à d’autres réactions catalytiques, hors du seul périmètre des batteries.
Article : « Matching the Coupling of Valence Electrons in the Oxide Interface to Perturb the Magnetic Order Enhancing Oxygen Reduction in Zinc-Air Batteries » – DOI : 10.1002/anie.7852726
Source : Tohoku U.
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