Des nanostructures d'iridium spécialement conçues et déposées sur de l'oxyde de tantale mésoporeux améliorent la conductivité, l'activité catalytique et la stabilité à long terme.
Image : Des chercheurs sud-coréens et américains ont mis au point un nouveau catalyseur à l’iridium présentant une activité accrue pour la réaction de dégagement d’oxygène, facilitant ainsi l’électrolyse de l’eau à l’aide d’une membrane échangeuse de protons pour produire de l’hydrogène à moindre coût. En savoir plus
Les besoins énergétiques mondiaux ne cessent de croître. L'hydrogène transportable représente une énergie prometteuse dans notre recherche de solutions énergétiques propres et durables. À cet égard, les électrolyseurs d'eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE), qui convertissent l'énergie électrique excédentaire en hydrogène transportable par électrolyse de l'eau, suscitent un vif intérêt. Cependant, leur application à grande échelle pour la production d'hydrogène demeure limitée par la lenteur de la réaction de dégagement d'oxygène (RDO), une étape cruciale de l'électrolyse, et par la difficulté à incorporer des catalyseurs à base d'oxydes métalliques coûteux, tels que l'oxyde d'iridium (Ir) et l'oxyde de ruthénium, dans les électrodes. Par conséquent, le développement de catalyseurs RDO performants et économiques est indispensable à la généralisation des PEMWE.

Récemment, une équipe de recherche coréano-américaine dirigée par le professeur Changho Park de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju (Corée du Sud) a mis au point un nouveau catalyseur nanostructuré à base d'iridium et d'oxyde de tantale mésoporeux (Ta₂O₅). Ce catalyseur a été obtenu grâce à une méthode améliorée de réduction à l'acide formique, permettant une électrolyse efficace de l'eau dans les batteries à membrane échangeuse de protons (PEM). Leurs travaux ont été publiés en ligne le 20 mai 2023 et paraîtront dans le volume 575 du Journal of Power Sources le 15 août 2023. L'étude a été co-signée par le Dr Chaekyong Baik, chercheur à l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST).
« La nanostructure d'iridium riche en électrons est uniformément dispersée sur un substrat mésoporeux stable de Ta₂O₅ préparé par la méthode du gabarit souple combinée à un procédé d'encapsulation à l'éthylènediamine, ce qui permet de réduire efficacement la teneur en iridium d'une batterie PEMWE à 0,3 mg cm⁻² », explique le professeur Park. Il est important de noter que la conception innovante du catalyseur Ir/Ta₂O₅ améliore non seulement l'utilisation de l'iridium, mais présente également une conductivité plus élevée et une surface électrochimiquement active plus importante.
De plus, la spectroscopie photoélectronique X et la spectroscopie d'absorption X révèlent de fortes interactions métal-support entre Ir et Ta, tandis que les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité indiquent un transfert de charge de Ta vers Ir, induisant une forte liaison des adsorbants tels que O et OH et maintenant le rapport Ir(III) lors du processus d'oxydation hors polarité. Ceci se traduit par une activité accrue de Ir/Ta₂O₅, qui présente une surtension plus faible de 0,385 V comparée à celle de IrO₂ (0,48 V).
L'équipe a également démontré expérimentalement la forte activité OER du catalyseur, en observant une surtension de 288 ± 3,9 mV à 10 mA cm⁻² et une activité massique d'Ir particulièrement élevée de 876,1 ± 125,1 A g⁻¹ à 1,55 V, comparable à la valeur obtenue pour M. Black. De fait, Ir/Ta₂O₅ présente une excellente activité et stabilité OER, ce qui a été confirmé par plus de 120 heures de fonctionnement d'une cellule unique composée d'une membrane et d'une électrode.
La méthode proposée présente le double avantage de réduire le niveau de charge Ir et d'accroître l'efficacité de la réaction d'oxydation de l'eau (OER). « L'amélioration de l'efficacité de l'OER complète la rentabilité du procédé PEMWE, ce qui contribue à optimiser ses performances globales. Cette avancée pourrait révolutionner la commercialisation du PEMWE et accélérer son adoption comme méthode courante de production d'hydrogène », affirme avec optimisme le professeur Park.

Globalement, cette évolution nous rapproche de la mise en œuvre de solutions de transport d'énergie hydrogène durables et, par conséquent, de l'atteinte de la neutralité carbone.
À propos de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST) L'Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST) est une université de recherche située à Gwangju, en Corée du Sud. Fondé en 1993, le GIST est devenu l'un des établissements les plus prestigieux du pays. L'université s'engage à créer un environnement de recherche stimulant qui favorise le développement des sciences et des technologies et encourage la collaboration entre les projets de recherche nationaux et internationaux. Fidèle à sa devise « Fier de façonner les sciences et les technologies de demain », le GIST figure régulièrement parmi les meilleures universités de Corée du Sud.
À propos de l'auteur : Le Dr Changho Park est professeur à l'Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST) depuis août 2016. Avant de rejoindre le GIST, il était vice-président de Samsung SDI et titulaire d'un master de Samsung Electronics SAIT. Il a obtenu sa licence, son master et son doctorat au département de chimie de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST), respectivement en 1990, 1992 et 1995. Ses recherches actuelles portent sur le développement de matériaux catalytiques pour les assemblages membrane-électrode dans les piles à combustible et l'électrolyse, utilisant des supports de carbone nanostructuré et d'oxydes métalliques mixtes. Il a publié 126 articles scientifiques et déposé 227 brevets dans son domaine d'expertise.
Le Dr Chaekyong Baik est chercheur à l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST). Il participe au développement de catalyseurs PEMWE OER et MEA, et se concentre actuellement sur les catalyseurs et les dispositifs pour les réactions d'oxydation de l'ammoniac. Avant de rejoindre le KIST en 2023, Chaekyong Baik a obtenu son doctorat en intégration énergétique à l'Institut des sciences et technologies de Gwangju.
La nanostructure d'iridium mésoporeux supportée par du Ta2O5 riche en électrons peut améliorer l'activité et la stabilité de la réaction de dégagement d'oxygène.
Les auteurs déclarent n'avoir aucun conflit d'intérêts financiers ou personnels connu susceptible d'avoir influencé le travail présenté dans cet article.
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