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Un pas en avant dans le stockage des énergies renouvelables
Une chercheuse de l’EPFL est parvenue à observer le comportement d’un catalyseur à l’échelle des particules durant l’électrolyse de l’eau. Cette réaction chimique, qui permet de «séparer» l’eau en oxygène et en hydrogène, est prometteuse pour stocker les énergies renouvelables. Les catalyseurs sont indispensables à cette réaction, mais leur comportement est encore largement incompris.
Crédit image: S. Yoon, TH Shen, V. Tileli
Pendant la réaction, les particules peuvent attirer, ou au contraire, repousser l'eau.
Comment stocker l’énergie produite par les sources
d’énergies renouvelables, à grande échelle et de manière fiable? L'une
des méthodes les plus étudiées aujourd'hui consiste à stocker cette énergie
sous forme gazeuse grâce à des cellules électrolytiques. Ce stockage se fait
notamment grâce à une réaction chimique: l'électrolyse de l'eau. Elle utilise
l'électricité pour diviser les molécules d'eau en oxygène et en hydrogène. Elle
est réversible et l'hydrogène peut donc ensuite être reconverti en eau pour
récupérer de l'électricité.
Découvrez pourquoi les catalyseurs fonctionnent
Un élément central est nécessaire à cette réaction: les catalyseurs. Ces éléments – notamment des oxydes de métaux dans le cas de l’électrolyse de l’eau – accélèrent le processus, sans être consommés lors de la réaction. Si les scientifiques savent que certains oxydes fonctionnent bien, ils ne savent pas pourquoi. «Nous observons que la réaction se produit, nous voyons que certains oxydes sont particulièrement efficaces, robustes et stables, mais nous ne savons pas pour quelles raisons, car nous ne comprenons pas encore ce qui se passe au niveau du catalyseur durant l’électrolyse de l’eau», explique Vasiliki Tileli, professeure assistante à L’EPFL.
Les catalyseurs de nouvelle génération
La chercheuse a reproduit cette réaction chimique afin d'observer le comportement du catalyseur tout au long de la réaction au microscope électronique et d'imager ce qui se passe à l'échelle nanoscopique. Avec son équipe, elle a analysé un catalyseur oxyde à structure pérovskite (BSCF). « Ce catalyseur a d'excellentes performances de séparation de l'eau », a précisé la chercheuse. En effet, les oxydes actuellement utilisés, tels que ceux d'iridium et de ruthénium, sont efficaces, mais chers et limités en ressources. A terme, il faudra les remplacer ».
Les scientifiques ont pu imager ces particules en temps réel lors du cyclage
électrochimique. Ils ont vu de l'oxygène émerger et ont constaté que le
processus était réversible. Ils ont également observé que les oxydes de la
structure pérovskite sont particulièrement résistants.
Des surfaces qui repoussent puis attirent l'eau
Ils ont également découvert que la surface des particules change au cours de la réaction et que les atomes se redistribuent. Cela fait changer le comportement de la particule avec son environnement, et selon la phase du cycle, la surface de la particule devient hydrophobe et elle repousse les liquides.
Cette capacité pour un matériau à passer d'un état hydrophobe à un état hydrophile a intrigué la communauté scientifique et est utilisée dans de nombreuses applications telles que les capteurs, la purification de l'eau ou les surfaces auto-nettoyantes. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Nature Catalysis.