L'iridium, le ruthénium et l'osmium, les 3 mousquetaires de l'électrolyse de l'eau

À l’origine, le terme « Sherpa » désignait une tribu de colline d’origine tibétaine, mais il est depuis devenu synonyme de guides sur le mont Everest, la montagne la plus haute et la plus rugueuse du monde. Tout comme ces Sherpas, la recherche sur la tâche exigeante de développement de catalyseurs pour la production d’hydrogène fait des progrès substantiels et a obtenu une reconnaissance en tant qu’article de couverture dans une revue internationale de premier plan.

Le professeur Yong-Tae Kim et Kyu-Su Kim, un doctorant du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et de la technologie de Pohang (POSTECH), ont collaboré sur un projet de recherche qui offre une direction prometteuse pour le développement futur de catalyseurs pour l’électrolyse de l’eau.

Leur étude a suscité une attention académique considérable et a été présentée comme l’article de couverture dans ACS Catalysis, une revue internationale dans le domaine de la chimie.

L’électrolyse de l’eau : une technologie respectueuse de l’environnement

L’électrolyse de l’eau, une méthode de production d’hydrogène à partir de la ressource abondante qu’est l’eau, se présente comme une technologie respectueuse de l’environnement qui ne produit pas d’émissions de dioxyde de carbone.

Ce processus rencontre toutefois des limitations en raison de sa dépendance à l’égard de catalyseurs en métaux précieux tels que l’iridium (Ir), ce qui le rend économiquement non viable. Les chercheurs explorent activement le développement de catalyseurs sous forme d’alliages métalliques pour relever ce défi.

Les catalyseurs à l’étude

Dans le domaine de la recherche sur la catalyse de l’électrolyse de l’eau, les principaux catalyseurs à l’étude sont l’iridium, le ruthénium (Ru) et l’osmium (Os). L’iridium, malgré sa grande stabilité, présente une faible activité et coûte cher.

À l’inverse, le ruthénium affiche une activité louable et est une option plus économique par rapport à l’iridium, bien qu’il n’ait pas le même niveau de stabilité. L’osmium, quant à lui, se dissout facilement dans diverses conditions électrochimiques, conduisant à la formation de nanostructures avec une surface active électrochimique étendue, améliorant ainsi l’activité géométrique.

En synthèse

Initialement, l’équipe de recherche a développé des catalyseurs en utilisant à la fois l’iridium et le ruthénium. En combinant ces métaux, ils ont réussi à préserver les excellentes attributs de chacun, aboutissant à des catalyseurs qui ont démontré des améliorations à la fois en termes d’activité et de stabilité.

Les catalyseurs incorporant de l’osmium ont montré une haute activité grâce à la surface active électrochimique étendue obtenue par la formation de nanostructures. Ces catalyseurs ont conservé les propriétés avantageuses de l’iridium et du ruthénium.

Par la suite, l’équipe a élargi ses expérimentations pour inclure les trois métaux. Les résultats ont montré une augmentation modérée de l’activité, mais la dissolution de l’osmium a eu un effet néfaste, compromettant considérablement l’intégrité structurelle de l’iridium et du ruthénium.

Dans cette série, l’agglomération et la corrosion des nanostructures ont été accélérées, conduisant à une baisse de l’équilibre des performances catalytiques.

Sur la base de ces résultats, l’équipe de recherche a proposé plusieurs pistes pour la recherche future sur les catalyseurs. Tout d’abord, ils soulignent la nécessité d’une mesure qui peut évaluer simultanément l’activité et la stabilité. Cette mesure, connue sous le nom de facteur d’activité-stabilité, a été initialement introduite par le groupe de recherche de Kim dans une revue internationale en 2017.

De plus, l’équipe plaide pour le maintien des propriétés supérieures des catalyseurs même après la formation de nanostructures, afin d’améliorer la surface active électrochimique de l’électrocatalyseur. Ils soulignent également l’importance de choisir soigneusement les matériaux candidats qui peuvent combiner efficacement lorsqu’ils sont alliés à d’autres métaux.

L’essence de cette étude ne réside pas dans la présentation de résultats spécifiques comme le développement de nouveaux catalyseurs, mais plutôt dans l’offre de considérations essentielles pour la conception de catalyseurs.

Le professeur Yong-Tae Kim, qui a dirigé la recherche, a indiqué : « Cette recherche marque le début de notre voyage, pas la conclusion ». Il a partagé sa vision en déclarant : « Nous sommes dédiés au développement continu de catalyseurs efficaces pour l’électrolyse de l’eau sur la base des connaissances acquises grâce à cette recherche ».

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’électrolyse de l’eau ?

L’électrolyse de l’eau est une méthode de production d’hydrogène à partir de l’eau. C’est une technologie respectueuse de l’environnement qui ne produit pas d’émissions de dioxyde de carbone.

Quels sont les principaux catalyseurs étudiés pour l’électrolyse de l’eau ?

Les principaux catalyseurs à l’étude sont l’iridium, le ruthénium et l’osmium. Chacun de ces métaux a ses propres avantages et inconvénients en termes d’activité et de stabilité.

Qu’est-ce que le facteur d’activité-stabilité ?

Le facteur d’activité-stabilité est une mesure qui peut évaluer simultanément l’activité et la stabilité d’un catalyseur. Il a été initialement introduit par le groupe de recherche de Kim en 2017.

Quelle est l’importance de la formation de nanostructures dans l’électrolyse de l’eau ?

La formation de nanostructures peut améliorer la surface active électrochimique de l’électrocatalyseur, ce qui peut augmenter l’activité du catalyseur. Cependant, cela peut également compromettre la stabilité du catalyseur.

Quelle est la prochaine étape sur les catalyseurs pour l’électrolyse de l’eau ?

La prochaine étape de la recherche consiste à développer des catalyseurs qui conservent leurs propriétés supérieures même après la formation de nanostructures, et à choisir soigneusement les matériaux candidats qui peuvent combiner efficacement lorsqu’ils sont alliés à d’autres métaux.

Principaux enseignements

Enseignements
L’électrolyse de l’eau est une méthode de production d’hydrogène respectueuse de l’environnement.
Les principaux catalyseurs à l’étude pour l’électrolyse de l’eau sont l’iridium, le ruthénium et l’osmium.
Le facteur d’activité-stabilité est une mesure qui peut évaluer simultanément l’activité et la stabilité d’un catalyseur.
La formation de nanostructures peut améliorer la surface active électrochimique de l’électrocatalyseur.
La prochaine étape de la recherche consiste à développer des catalyseurs qui conservent leurs propriétés supérieures même après la formation de nanostructures.