Ce matériau d’électrode haute performance résiste à l’eau de mer

L’équipe de recherche du Dr Juchan Yang, du Centre des matériaux pour l’hydrogène et les batteries, division Recherche sur les matériaux énergétiques et environnementaux de l’Institut coréen des sciences des matériaux (KIMS), a mis au point un catalyseur composite utilisant le nouveau matériau MXene qui supprime la génération d’ions chlorure, l’un des principaux défis de l’électrolyse de l’eau de mer. Les résultats de cette recherche devraient accélérer l’application pratique de la technologie d’électrolyse de l’eau de mer en permettant une production stable d’hydrogène, même dans l’eau de mer.

L’hydrogène suscite un intérêt croissant en tant que source d’énergie écologique ne produisant pas de carbone. Cependant, les technologies conventionnelles d’électrolyse de l’eau utilisent principalement de l’eau douce propre, ce qui entraîne des coûts de production élevés et soulève des inquiétudes quant à la disponibilité des ressources en eau. L’électrolyse de l’eau de mer, une alternative qui utilise directement l’eau de mer, a vu le jour pour pallier ces inconvénients. Néanmoins, un défi majeur subsiste : les ions chlorure (Cl⁻) présents dans l’eau de mer peuvent facilement corroder les électrodes d’électrolyse, ce qui réduit considérablement la durée de vie des systèmes de production d’hydrogène.

Le MXene est un nanomatériau bidimensionnel composé de métaux et de carbone ou d’azote. Il possède une excellente conductivité électrique et peut être combiné avec divers composés métalliques, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation comme matériau d’électrode. Cependant, il présente une limitation notable : sa forte réactivité avec l’oxygène et l’eau le rend sujet à l’oxydation, ce qui nuit à sa stabilité et à son application à long terme.

Pour remédier à ce problème, l’équipe de recherche a intentionnellement oxydé le MXene afin de former une structure conductrice stable et a fabriqué un catalyseur composite pour électrode en le combinant avec du ferrite de nickel (NiFe₂O₄), un catalyseur d’évolution d’oxygène, à l’aide d’un processus de broyage à billes à haute énergie. Le catalyseur composite obtenu présentait une densité de courant environ cinq fois supérieure et une durabilité deux fois plus élevée que les catalyseurs conventionnels. De plus, il a démontré une excellente répulsion envers les ions chlorure, empêchant efficacement la corrosion des électrodes. Grâce à ce processus, l’équipe a obtenu une grande uniformité et une excellente reproductibilité, jetant ainsi les bases d’une production à grande échelle. En outre, au-delà des évaluations des performances du catalyseur à l’échelle du laboratoire, l’équipe a réussi à valider les performances du matériau dans une cellule d’électrolyse réelle, confirmant ainsi son applicabilité pratique.

Cette technologie est très importante dans la mesure où elle surmonte les limites des matériaux conventionnels à base de MXène en garantissant à la fois la conductivité et la durabilité, ce qui la rend adaptée à une application dans les électrodes d’électrolyse de l’eau de mer. De plus, grâce au développement d’un matériau d’électrode haute performance qui supprime les problèmes de corrosion dans l’électrolyse de l’eau de mer, elle devrait accélérer la mise en œuvre pratique et contribuer à l’expansion mondiale des infrastructures de production d’hydrogène.

Le Dr Juchan Yang, chercheur principal au KIMS, a déclaré : « Cette étude est importante car elle aborde la question des ions chlorure dans l’eau de mer en utilisant le nouveau matériau MXene. » Il a ajouté : « Nous menons activement des recherches de démonstration complémentaires afin de faire progresser cette technologie vers une solution durable de production d’hydrogène. »

Cette recherche a été soutenue par l’Institut coréen d’évaluation et de planification des technologies énergétiques (KETEP) et le Conseil national de la recherche scientifique et technologique (NST), et a été menée en collaboration avec l’équipe du professeur Hyun-Kon Song du département d’ingénierie énergétique et chimique de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST, président Chong Rae Park). Les résultats de la recherche ont été publiés le 30 juin dans ACS Nano (facteur d’impact : 16), une revue prestigieuse dans le domaine des nanosciences.

Article : « Durable Seawater Electrolysis through the Synergistic Effect of Oxidized MXene/Nickel Ferrite Composite Electrocatalyst’ – DOI : 10.1021/acsnano.5c04312

Source : KIMS