Des catalyseurs efficaces et peu coûteux à base d’éléments des terres rares

Un groupe international de chercheurs a fait appel aux prédictions théoriques pour identifier puis fabriquer un nouvel électrocatalyseur qui facilite grandement la réaction d’évolution de l’oxygène (OER).

Les électrolyseurs qui scindent l’eau exploitent l’électrolyse pour séparer l’hydrogène de l’oxygène. Le gaz hydrogène produit peut être utilisé comme combustible propre, tandis que le gaz oxygène peut servir à des fins médicales, des processus industriels, ou simplement être libéré dans l’atmosphère.

Cependant, l’OER, processus au cours duquel les molécules d’eau sont oxydées à l’anode, s’est révélé être un obstacle à une application plus large de ces dispositifs. L’OER provoque une perte d’énergie et nécessite une tension supplémentaire pour déclencher la réaction (surpotentiel).

Vers une meilleure efficacité de l’OER grâce aux oxydes métalliques de terres rares

Pour contourner ce problème, les scientifiques se sont tournés vers les oxydes métalliques de terres rares (RE-TMO), qui permettent d’optimiser l’efficacité du processus OER. Cependant, ces derniers sont basés sur des métaux coûteux et rares, ce qui limite encore plus leur application industrielle. De plus, leur fonctionnement reste en grande partie mystérieux.

« L’efficacité prédictive de la théorie nous a aidés à pallier ce défaut« , a déclaré Hao Li, professeur associé à l’Institut avancé pour la recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku (WPI-AIMR) et auteur correspondant de l’article. Comme la découverte de catalyseurs OER efficaces et économiques nécessite beaucoup d’essais et d’erreurs, nous avons utilisé la théorie pour prédire qu’un dopage au cérium (Ce) dans les oxydes de cobalt (CoO) donnerait un électrocatalyseur plus performant et stable.

Des prédictions confirmées par des tests

Les prédictions de l’équipe se sont avérées justes. En utilisant une technique spéciale de plasma, ils ont associé le cérium à l’oxyde de cobalt avant d’effectuer des tests sur le matériau. Les résultats ont confirmé la performance favorable, avec un surpotentiel de seulement 261 mV à 10 mA cm−2 et une stabilité électrochimique robuste, supérieure à celle du CoO seul.

La spectroscopie d’absorption des rayons X et la spectroscopie Raman électrochimique in situ ont révélé que les atomes de cérium rendaient l’oxyde de cobalt plus solide en modifiant la façon dont les atomes sont liés. Ce nouveau agencement des atomes a conduit à une OER plus efficace.

Vers des avancées dans le développement d’oxydes métalliques de terres rares plus efficaces

Li et son équipe sont convaincus que leur découverte peut conduire à des avancées supplémentaires dans la création d’RE-TMO plus efficaces. « Nous croyons que notre modèle Ce-CoO peut servir de base pour la compréhension mécaniste et la conception structurelle de catalyseurs RE-TMO à haute performance.« 

Si les obstacles liés à l’utilisation d’oxydes métalliques de terres rares pour l’amélioration des électrolyseurs persistent, les travaux de l’équipe de Li démontrent une voie prometteuse. Le recours au cérium pourrait bien être la clé pour une OER plus efficace, malgré les défis posés par le surpotentiel.

* Leurs découvertes ont été détaillées dans une publication du journal « Advanced Materials » en date du 18 avril 2023.

Les 5 points à retenir

Détails de la publication :
Titre : Renforcement de la covalence Co-O via le couplage orbital gradient Ce(4f)─O(2p)─Co(3d) pour l'évolution de l'oxygène à haute efficacité
Auteurs : Meng Li, Xuan Wang, Kun Liu, Huamei Sun, Dongmei Sun, Kai Huang, Yawen Tang, Wei Xing, Hao Li, Gengtao Fu
Journal : Advanced Materials
DOI: doi.org/10.1002/adma.202302462

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