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L'hydrogène est un élément clé pour parvenir à une mobilité durable à l'avenir, en particulier l'hydrogène «vert» produit par la séparation de l'eau à l'aide d'une énergie renouvelable. Dans les piles à combustible, l'hydrogène peut être utilisé dans des réactions chimiques pour générer de l'énergie électrique, qui à son tour peut alimenter des moteurs électriques. Il est également utilisé dans la production de carburants liquides synthétiques.
Le processus d'utilisation de l'électricité pour diviser l'eau (électrolyse) implique deux réactions qui ne peuvent avoir lieu indépendamment : la formation d'hydrogène à une électrode et d'oxygène à l'autre. Les chimistes appellent ces deux réactions partielles l'évolution de l'hydrogène et l'évolution de l'oxygène. Pour rendre l'ensemble du processus plus efficace sur le plan énergétique, les scientifiques étudient l'utilisation de nouveaux matériaux qui agissent comme catalyseurs et facilitent ainsi ces réactions partielles.
La chimie de surface joue un rôle décisif
«La réaction d'évolution de l'oxygène est de loin le plus grand défi dans le développement de catalyseurs pour ces deux réactions partielles», déclare Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie de la catalyse à l'ETH Zurich. Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck à Berlin et à laquelle participe l'ETH Zurich a maintenant mené une étude qui a permis d'obtenir des informations fondamentalement nouvelles sur les matériaux catalytiques pour cette réaction d'évolution de l'oxygène. Les chercheurs ont pu montrer que de bonnes performances catalytiques sont principalement dues à des processus qui se produisent à la surface du catalyseur - et non à des processus électrochimiques.
«Nous avons étudié une forme spéciale de catalyse, à savoir l'électrocatalyse, et nous avons découvert qu'elle obéit aux lois connues des réactions catalytiques classiques», explique Guido Zichittella, un scientifique du groupe de M. Pérez-Ramírez. Cette découverte est nouvelle car les scientifiques pensaient auparavant que les réactions électrocatalytiques sont principalement déterminées par des processus électrochimiques.
Activité catalytique spécifique
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé des catalyseurs fabriqués à partir du matériau le plus couramment utilisé aujourd'hui par les laboratoires de recherche pour réaliser cette réaction : l'oxyde d'iridium. Le professeur Pérez-Ramírez de l'ETH et son groupe ont produit des catalyseurs avec des degrés d'activité variables, en remplaçant différentes quantités d'atomes d'oxygène catalytiquement actifs par des atomes de chlore catalytiquement inactifs. Ces catalyseurs ont permis aux chercheurs d'examiner les effets de la chimie des surfaces séparément de l'électrochimie.
Ces nouvelles connaissances pourraient contribuer au développement d'électrocatalyseurs plus performants et à la recherche de nouveaux matériaux catalytiques moins coûteux, ouvrant la voie à une production d'hydrogène durable, efficace sur le plan énergétique et rentable.
Ce travail de recherche a été entrepris par des chercheurs de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, de la Technische Universität Berlin, de l'Institut Max Planck pour la conversion chimique de l'énergie, de l'ETH Zurich et de l'Istituto officina dei materiali à Trieste.