Une réaction électrochimique qui sépare les molécules d’eau pour produire de l’oxygène est au cœur de multiples approches visant à produire des carburants alternatifs pour les transports. Mais cette réaction doit être facilitée par un matériau catalyseur, et les versions actuelles nécessitent l’utilisation d’éléments rares et coûteux comme l’iridium, limitant le potentiel de production d’un tel carburant.
Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont mis au point un tout nouveau type de matériau catalyseur, appelé cadre organique d’hydroxyde métallique (MHOF), composé de composants peu coûteux et abondants. La famille de matériaux permet aux ingénieurs d’adapter avec précision la structure et la composition du catalyseur aux besoins d’un processus chimique particulier, et il peut alors égaler ou dépasser les performances des catalyseurs conventionnels plus coûteux.
Les résultats sont décrits dans la revue Matériaux naturelsdans un article du post-doctorant du MIT Shuai Yuan, de l’étudiant diplômé Jiayu Peng, du professeur Yang Shao-Horn, du professeur Yuriy Román-Leshkov et de neuf autres.
Les réactions de dégagement d’oxygène sont l’une des réactions communes à la production électrochimique de carburants, de produits chimiques et de matériaux. Ces processus comprennent la génération d’hydrogène en tant que sous-produit du dégagement d’oxygène, qui peut être utilisé directement comme carburant ou subir des réactions chimiques pour produire d’autres carburants de transport ; la fabrication d’ammoniac, à utiliser comme engrais ou matière première chimique; et la réduction du dioxyde de carbone afin de contrôler les émissions.
Mais sans aide, “ces réactions sont lentes”, dit Shao-Horn. “Pour une réaction à cinétique lente, vous devez sacrifier la tension ou l’énergie pour favoriser la vitesse de réaction.” En raison de l’apport d’énergie supplémentaire requis, “l’efficacité globale est faible. C’est pourquoi les gens utilisent des catalyseurs”, dit-elle, car ces matériaux favorisent naturellement les réactions en réduisant l’apport d’énergie.
Mais jusqu’à présent, ces catalyseurs “s’appuient tous sur des matériaux coûteux ou des métaux de transition tardive qui sont très rares, par exemple l’oxyde d’iridium, et il y a eu un gros effort dans la communauté pour trouver des alternatives basées sur des matériaux abondants sur Terre qui ont le même performances en termes d’activité et de stabilité », déclare Román-Leshkov. L’équipe affirme avoir trouvé des matériaux qui offrent exactement cette combinaison de caractéristiques.
D’autres équipes ont exploré l’utilisation d’hydroxydes métalliques, tels que les hydroxydes de nickel-fer, explique Román-Leshkov. Mais ces matériaux ont été difficiles à adapter aux exigences d’applications spécifiques. Maintenant, cependant, “la raison pour laquelle notre travail est assez excitant et assez pertinent est que nous avons trouvé un moyen d’adapter les propriétés en nanostructurant ces hydroxydes métalliques d’une manière unique.”
L’équipe s’est inspirée des recherches effectuées sur une classe apparentée de composés connus sous le nom de cadres organométalliques (MOF), qui sont une sorte de structure cristalline constituée de nœuds d’oxyde métallique liés entre eux par des molécules de liaison organiques. En remplaçant l’oxyde métallique dans ces matériaux par certains hydroxydes métalliques, l’équipe a découvert qu’il devenait possible de créer des matériaux accordables avec précision qui avaient également la stabilité nécessaire pour être potentiellement utiles comme catalyseurs.
“Vous mettez ces chaînes de ces lieurs organiques les unes à côté des autres, et elles dirigent en fait la formation de feuilles d’hydroxyde métallique qui sont interconnectées avec ces lieurs organiques, qui sont ensuite empilées et ont une stabilité plus élevée”, explique Román-Leshkov. Cela présente de multiples avantages, dit-il, en permettant un contrôle précis de la structuration nanostructurée, permettant un contrôle précis des propriétés électroniques du métal, et offrant également une plus grande stabilité, leur permettant de résister à de longues périodes d’utilisation.
En testant ces matériaux, les chercheurs ont découvert que les performances des catalyseurs étaient « surprenantes », déclare Shao-Horn. “Il est comparable à celui des matériaux d’oxyde de pointe catalysant la réaction de dégagement d’oxygène.”
Étant composés en grande partie de nickel et de fer, ces matériaux devraient être au moins 100 fois moins chers que les catalyseurs existants, disent-ils, bien que l’équipe n’ait pas encore effectué une analyse économique complète.
Cette famille de matériaux “offre vraiment un nouvel espace pour régler les sites actifs de catalyse de la séparation de l’eau afin de produire de l’hydrogène avec un apport d’énergie réduit”, explique Shao-Horn, pour répondre aux besoins exacts de tout processus chimique donné où de tels catalyseurs sont nécessaires.
Les matériaux peuvent fournir “cinq fois plus d’accordabilité” que les catalyseurs à base de nickel existants, dit Peng, simplement en substituant différents métaux à la place du nickel dans le composé. “Cela offrirait potentiellement de nombreuses pistes pertinentes pour de futures découvertes.” Les matériaux peuvent également être produits en feuilles extrêmement minces, qui pourraient ensuite être enduites sur un autre matériau, réduisant encore les coûts de matériaux de tels systèmes.
Jusqu’à présent, les matériaux ont été testés dans des dispositifs de test de laboratoire à petite échelle, et l’équipe s’attaque maintenant aux problèmes d’essayer d’étendre le processus à des échelles commercialement pertinentes, ce qui pourrait encore prendre quelques années. Mais l’idée a un grand potentiel, dit Shao-Horn, pour aider à catalyser la production d’hydrogène propre et sans émissions, de sorte que “nous puissions réduire le coût de l’hydrogène de ce processus sans être limités par la disponibilité des métaux précieux”. . C’est important, car nous avons besoin de technologies de production d’hydrogène capables d’évoluer.”
L’équipe de recherche comprenait d’autres personnes du MIT, de l’Université de Stockholm en Suède, du SLAC National Accelerator Laboratory et de l’Institut de physique des faisceaux ioniques et de recherche sur les matériaux à Dresde, en Allemagne. Le travail a été soutenu par le Toyota Research Institute.
