Nanocomposite

Dialogue du 30 août 2023

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par Ankur Kumar et Sasanka Deka

La diminution des ressources énergétiques conventionnelles basées sur les combustibles fossiles et leurs conséquences environnementales associées ont attiré l'attention du monde entier vers le développement des ressources énergétiques renouvelables. Ces ressources énergétiques renouvelables pourraient ne pas répondre à la totalité de la demande énergétique de la population mondiale ; cependant, ils limitent les effets des gaz à effet de serre ainsi que la pollution atmosphérique causée par la combustion des combustibles fossiles. Parmi les ressources alternatives, l’hydrogène est considéré comme le vecteur d’énergie le plus propre.

Cependant, l’hydrogène n’existe pas dans la nature à l’état pur, comme l’oxygène, et doit être produit à partir de ressources contenant de l’hydrogène telles que le gaz naturel (méthane), le charbon, la biomasse et l’eau, par reformage, décomposition thermique ou électrolyse. Mais la production d’hydrogène à partir du gaz naturel, du charbon et de la biomasse entraîne l’émission de dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre.

Nous savons que l'eau (H2O) est composée d'atomes d'hydrogène et d'oxygène ; l’eau de mer pourrait donc être une source illimitée d’hydrogène. L’hydrogène est donc envisagé comme un substitut possible aux combustibles fossiles. La production d'énergie à partir d'énergies renouvelables (en utilisant l'énergie éolienne, l'énergie solaire, l'hydroélectricité, l'énergie houlomotrice ou similaire) est appelée « hydrogène vert ». Dans ce scénario, la division de l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité renouvelable dans un électrolyseur à la surface d’un électrocatalyseur robuste est une technique proposée.

Malgré les progrès dans le domaine, le processus de projection d’eau pour produire de l’hydrogène vert abordable reste encore lent en raison des limitations liées aux électrocatalyseurs efficaces. En théorie, l'eau se divise à 1,23 V. Cependant, en pratique, cette valeur est supérieure à 1,5 V (ce qui signifie un gaspillage d'énergie supplémentaire). Cette énergie minimale est théoriquement nécessaire pour briser la molécule d'eau. Des électrocatalyseurs coûteux à base de métaux nobles et précieux, par exemple Pt, Pd, Au, Rh, Ir, etc., sont utilisés dans l'électrolyseur pour ce processus.

Les principaux problèmes auxquels sont confrontés l’industrie et les experts sont l’oxydation de l’eau pour produire de l’O2 et la stabilité du catalyseur dans des conditions alcalines industrielles difficiles. Dans le premier problème, la réaction demi-cellule est une réaction ascendante où quatre électrons sont impliqués et où l'essentiel de l'énergie est nécessaire en dehors de la perte d'énergie liée à la résistivité des différents composants (électrolyte, connexions, catalyseur, etc.) l'électrolyseur. Dans le deuxième problème, les catalyseurs coûteux perdent souvent leur activité en raison de la dégradation de la surface. Dans ces conditions, un électrocatalyseur bon marché et abordable, mais hautement actif et stable, est nécessaire pour une telle réaction de division de l’eau.

Dans une étude récente, notre équipe, dirigée par Sasanka Deka, a conçu et développé un nouvel électrocatalyseur à base de nanocomposites, très efficace, mais toujours rentable, pour la division globale de l'eau. Un nanocomposite est un mélange homogène de deux ou plusieurs matériaux présents dans la gamme nanométrique. Le présent nanocomposite est une nanoarchitecture basée sur des nanoparticules désalliées de NiCu sur des nanofeuillets hiérarchiques de Co. Nos résultats sont publiés dans la revue ACS Catalysis.

Les matériaux utilisés sont moins chers que les métaux précieux et la procédure de synthèse est très pratique. Ce nouveau catalyseur a été utilisé dans un électrolyseur à électrolyte d'hydroxyde de potassium (KOH) pour la séparation de l'eau. Il est intéressant de noter que le système montre la division de l’eau et la production d’hydrogène gazeux à l’aide de l’électrocatalyseur NiCu/Co à une tension de cellule de 1,46 V. Ainsi, l'électrocatalyseur est capable de diviser l'eau en utilisant uniquement une batterie domestique de 1,5 volts.