Un catalyseur de craquage de l'eau pas comme les autres

L'électricité peut être produite par des sources renouvelables telles que le soleil ou le vent. L'électricité peut ensuite être utilisée pour fractionner l'eau, ce qui permet de produire de l'hydrogène comme combustible pour les dispositifs énergétiques émergents tels que les piles à combustible. Parce que l'hydrogène est un combustible propre, les chercheurs du monde entier consacrent beaucoup d'efforts à la mise au point de catalyseurs de séparation de l'eau, qui sont essentiels à l'efficacité énergétique de la réaction. 

L'accent est mis principalement sur ce qu'on appelle la réaction d'évolution de l'oxygène (OER), qui est sans doute le processus le plus difficile dans la séparation de l'eau. Après de nombreuses années d'intenses recherches, l'oxyde de nickel et de fer s'est imposé comme le catalyseur par excellence pour les REL en milieu alcalin en raison de sa forte activité et de sa composition riche en terre, mais aussi parce qu'il a la plus forte activité par site de réaction parmi tous les oxydes métalliques.

Il y a environ trois ans, des scientifiques du laboratoire de Xile Hu à l'EPFL ont découvert un autre catalyseur nettement plus actif que l'oxyde de nickel et de fer, même s'il avait une composition similaire. Malgré tout, il était robuste, facile à synthétiser et ouvert aux applications industrielles. 

La découverte a été menée par Fang Song, un post-doctorant du groupe de Hu qui a depuis rejoint la faculté de l'Université Jiaotong de Shanghai en Chine. Reconnaissant son potentiel technologique, Hu, Song et leur collègue Elitsa Petkucheva ont déposé une demande de brevet international. Ils ont également obtenu un financement du Conseil européen de la recherche pour tester le catalyseur dans le cadre d'un projet de validation de principe. Le catalyseur a prouvé qu'il permettait d'obtenir un électrolyseur efficace qui pouvait fonctionner dans des conditions industrielles tout en nécessitant une tension inférieure de 200 mV. Ils sont maintenant à la recherche de partenaires industriels pour transférer la technologie. 

Mais le nouveau catalyseur n'était pas non plus conventionnel en termes de chimie. "Nous n'avions aucune idée de la raison pour laquelle le catalyseur serait si actif ", dit Hu. Son équipe s'est donc tournée vers le groupe de Clémence Corminboeuf de l'EPFL. En collaboration avec son postdoctorant Michael Busch et avec le soutien du NCCR-MARVEL (Centre on Computational Design and Discovery of Novel Materials), Corminboeuf a utilisé la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour chercher des explications théoriques possibles. La DFT est une méthode computationnelle de mécanique quantique qui modélise et étudie la structure de nombreux systèmes corporels, par exemple les atomes et les molécules. 

Le résultat a été radical : l'activité élevée du nouveau catalyseur provient d'une action coopérative de deux composants d'oxydes de fer et de nickel séparés par phases, qui ont surmonté une limitation précédemment identifiée des oxydes métalliques classiques lorsque la réaction s'est produite localement sur un seul site métallique. Ils l'appelaient le "mécanisme bifonctionnel". 

Bien que le mécanisme dérivé du DFT soit hypothétique, il a guidé des études expérimentales sur l'activité et les propriétés du catalyseur avec Benedikt Lassalle-Kaiser au Synchrotron SOLEIL en France. À l'aide de la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), les travaux ont mis en évidence la présence de deux oxydes de fer et de nickel séparés en phase dans le catalyseur. Mais comme les catalyseurs peuvent subir des changements de composition et de structure pendant la catalyse, il est devenu nécessaire d'étudier le catalyseur "en fonctionnement" avec XAS. 

Pour ce faire, les chercheurs ont établi un programme de collaboration à long terme avec le groupe du professeur Hao Ming Chen à l'Université nationale de Taiwan. Dans une étude complète de l'operando XAS, Chen et son étudiant diplômé, Chia-Shuo Hsu, ont révélé une structure unique du catalyseur : qu'il est fait de nanoclusters de γ-FeOOH liés par covalence à un support γ-NiOOH - ce qui en fait un catalyseur oxyde de fer et de nickel, par opposition à l'oxyde de fer et nickel classique. Bien qu'elle ne constitue pas une preuve directe, cette structure est compatible avec le mécanisme bifonctionnel proposé par DFT. 

"Il s'agit d'une étude véritablement interdisciplinaire qui fait appel à de nombreuses collaborations fructueuses ", dit Hu. "Les études fondamentales fournissent non seulement un aperçu de la structure et de l'activité de ce catalyseur non conventionnel, mais elles conduisent également à une hypothèse mécaniste qui suscite la réflexion.