Les catalyseurs sont la clé de l’accélération des réactions lentes qui nécessitent de grandes quantités d’énergie. Par conséquent, l’analyse des types de catalyseurs qui accélèrent le plus les réactions et de leurs mécanismes sous-jacents peut nous aider à améliorer l’efficacité. Une équipe de chercheurs au Japon a proposé une stratégie consistant à utiliser des oxydes de spinelle pour améliorer une réaction appelée réaction d’évolution de l’oxygène (OER). Ce catalyseur surmonte les problèmes généralement rencontrés avec les oxydes de spinelle précédents en impliquant une substitution de terre rare, le cérium (Ce).
Les spinelles sont des minéraux tels que le magnésium, le nickel ou le zinc emballés étroitement dans des cristaux cubiques. Les oxydes de spinelle ont été étudiés pour leur potentiel en tant que catalyseurs électrochimiques actifs de la réaction de dégagement de l’oxygène. Cependant, le processus catalytique des oxydes de spinelle suit souvent la voie du mécanisme d’évolution des adsorbats, ce qui inhibe largement leur capacité à libérer de l’O2. Ceci n’est pas utile pour la réaction de dégagement d’oxygène souhaitée.
En revanche, la voie du mécanisme de l’oxygène de réseau (où la libération de l’O2 est assistée par l’oxygène de réseau des oxydes) est beaucoup plus efficace. Afin d’utiliser au mieux cette méthode, il est important de comprendre des facteurs tels que la manière de déclencher l’activation de l’oxygène du réseau au cours du processus de transformation de l’oxygène.
« Le moindre changement peut modifier l’efficacité de la réaction », explique le professeur associé Hao Li de l’AIMR. « Nous voulons essentiellement être en mesure de contrôler de manière fiable la voie vers laquelle l’oxyde de spinelle tend, afin d’obtenir le résultat souhaité à chaque fois. »
L’équipe de recherche a utilisé NiCo2O4 comme modèle avec Ce. Le catalyseur a montré une remarquable activité OER avec un faible surpotentiel, une stabilité électrochimique satisfaisante et une bonne praticabilité dans un électrolyseur d’eau à membrane échangeuse d’anions. Les analyses théoriques révèlent que l’OER sur la surface Ce-NiCo2O4 suit la voie du mécanisme de l’oxygène du réseau (LOM) plus favorable que celle du NiCo2O4, comme le montrent le comportement dépendant du pH et l’analyse Raman in situ. Afin de mieux caractériser les tenants et aboutissants de la réaction, la spectrométrie de masse électrochimique a été utilisée pour confirmer que l’oxygène provenait spécifiquement de l’oxygène du réseau de Ce-NiCo2O4.
L’ajout de Ce a permis de promouvoir la voie de l’oxygène de réseau, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour l’utilisation de ce catalyseur et d’autres catalyseurs similaires dans des réactions électrochimiques. Ce travail offre une nouvelle perspective pour la conception d’oxydes spinelles hautement actifs pour l’OER et donne des indications importantes sur le mécanisme de LOM renforcé par les terres rares.
En particulier, le processus de séparation de l’eau de l’OER est utile pour produire des carburants verts à base d’hydrogène, d’où le vif intérêt pour cette réaction. Pour que les choses changent et que ces carburants respectueux de l’environnement puissent être utilisés à plus grande échelle, tout commence par un catalyseur.
Ces résultats ont été publiés dans Angewandte Chemie International Edition le 9 octobre 2024.
Article : Importation de sites atomiques de terres rares pour activer l’oxygène du réseau des oxydes de spinelle pour l’évolution électrocatalytique de l’oxygène. Auteurs : Xuan Wang, Jinrui Hu, Tingyu Lu, Huiyu Wang, Dongmei Sun, Yawen Tang, Hao Li, Gengtao Fu – Journal : Angewandte Chemie International Edition. DOI : 10.1002/anie.202415306
