Dans le contexte actuel de changement climatique et de transition nécessaire des combustibles fossiles vers les sources d’énergie renouvelables, l’électrolyse de l’eau prend une importance croissante pour la production d’hydrogène. Une nouvelle méthode de synthèse par micro-ondes pourrait révolutionner ce processus.
Le défi de l’électrolyse de l’eau
La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau nécessite non seulement des catalyseurs pour la réduction des protons en hydrogène, mais aussi pour le côté opposé, à savoir l’oxydation de l’eau et la production associée d’oxygène.
Les processus actuels sont extrêmement énergivores et chronophages et utilisent des matériaux difficiles à obtenir. Le développement de catalyseurs durables, non toxiques et peu coûteux – mais toujours actifs – est donc le principal défi actuel.
Une nouvelle méthode de synthèse
La nouvelle synthèse par micro-ondes présentée ici permet la synthèse d’oxydes de métaux de transition à haute entropie riches en fer à basse température et en peu de temps, en utilisant des matériaux qui font partie des éléments les plus courants – et donc les plus disponibles – dans la croûte terrestre.
Actuellement, les électrocatalyseurs à base d’oxyde d’iridium ou de ruthénium sont principalement utilisés, ce qui augmente considérablement les coûts des matériaux et rend également difficile l’expansion à grande échelle en termes de disponibilité des matériaux.
« Dans ce travail, nous présentons pour la première fois une synthèse à basse température d’oxydes à haute entropie, plus précisément de spinelles à haute teneur en fer« , rapporte le professeur Roland Marschall, titulaire de la chaire de chimie physique III à l’université de Bayreuth.
Les oxydes de métaux de transition à haute entropie deviennent de plus en plus intéressants pour ces processus. Cependant, ceux-ci sont généralement obtenus à haute température et avec de longs temps de synthèse.
Les avantages de la synthèse par micro-ondes
La nouvelle méthode de synthèse dans le micro-ondes permet de réduire le temps de synthèse à quelques minutes (généralement 5 à 30 minutes dans ce cas) et la température à 225 °C.
D’une part, la synthèse est donc beaucoup moins énergivore, et d’autre part, cela permet la production de nanoparticules. Cela est particulièrement intéressant en catalyse, car les nanoparticules ont un rapport surface-volume particulièrement élevé et les réactions catalytiques nécessaires pour l’électrolyse ont lieu à la surface.
« Dans notre travail, nous avons pu montrer pour la première fois qu’une grande variété de compositions différentes avec jusqu’à sept métaux différents en plus du fer peut être obtenue avec cette simple synthèse à basse température« , explique le professeur Marschall.
Le remplacement partiel du fer par du cobalt, connu pour sa forte activité, a permis d’augmenter encore l’activité catalytique.
« Enfin, l’activité des catalyseurs dépend dans une large mesure de leur composition, qui n’est pas librement variable dans toutes les méthodes de synthèse précédentes. Notre méthode, en revanche, est très flexible, ce qui permet d’incorporer un grand nombre d’éléments dans différents états d’oxydation et d’ajuster la composition et donc l’activité des catalyseurs« .
En synthèse
La synthèse par micro-ondes offre une nouvelle approche pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Elle permet de réduire le temps et l’énergie nécessaires pour la synthèse, tout en utilisant des matériaux plus courants et disponibles. Cette méthode pourrait donc jouer un rôle clé dans la transition vers des sources d’énergie renouvelables.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’électrolyse de l’eau ?
L’électrolyse de l’eau est un processus qui utilise l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène.
Pourquoi l’électrolyse de l’eau est-elle importante ?
L’électrolyse de l’eau est une méthode clé pour la production d’hydrogène, qui est une source d’énergie renouvelable.
Quels sont les défis de l’électrolyse de l’eau ?
Les défis comprennent le besoin de catalyseurs efficaces, le coût élevé des matériaux et la consommation d’énergie du processus.
Comment la synthèse par micro-ondes peut-elle aider ?
La synthèse par micro-ondes peut réduire le temps et l’énergie nécessaires pour la synthèse, tout en utilisant des matériaux plus courants et disponibles.
Quels sont les avantages des nanoparticules en catalyse ?
Les nanoparticules ont un rapport surface-volume élevé, ce qui signifie qu’elles ont une plus grande surface pour les réactions catalytiques.
Références
L’équipe a publié ses résultats dans Advanced Functional Materials : « Medium- and High-Entropy Spinel Ferrite Nanoparticles via Low-Temperature Synthesis for the Oxygen Evolution Reaction » – DOI: 10.1002/adfm.202310179
