L'hydrogène vert : Le siliciure de nickel nanostructuré brille comme catalyseur
Nanostructures induites chimiquement
L'énergie électrique provenant du vent ou du soleil peut être stockée sous forme d'énergie chimique dans l'hydrogène, un excellent combustible et vecteur énergétique. La condition préalable à cela est toutefois une électrolyse efficace de l'eau avec des catalyseurs peu coûteux. Pour la réaction d'évolution de l'oxygène à l'anode, le siliciure de nickel nanostructuré promet désormais une augmentation significative de l'efficacité. C'est ce qu'a démontré un groupe du HZB, de l'Université technique de Berlin et de la Freie Universität Berlin dans le cadre de la plateforme de recherche CatLab, avec des mesures effectuées notamment à BESSY II.
Le siliciure de nickel cristallin (à gauche) est transformé par voie chimique en un matériau nanostructuré doté d'excellentes propriétés catalytiques pour le fractionnement électrolytique de l'eau et la production de précieux composés nitrile.
© P. Menezes /HZB/TU Berlin
L'électrolyse est peut-être un concept familier des cours de chimie à l'école : Deux électrodes sont plongées dans l'eau et mises sous tension. Cette tension provoque la décomposition des molécules d'eau en leurs composants, et des bulles de gaz s'élèvent aux électrodes : L'oxygène se forme à l'anode, tandis que des bulles d'hydrogène se forment à la cathode. L'électrolyse pourrait produire de l'hydrogène de manièreneutre en termes d'émissions de CO2, à condition que l'électricité nécessaire soit produite par des sources d'énergie non fossiles telles que le soleil ou le vent.
Le seul problème est que ces réactions ne sont pas très efficaces et sont extrêmement lentes. Pour accélérer les réactions, on utilise des catalyseurs à base de métaux précieux et rares comme le platine, le ruthénium ou l'iridium. Pour une utilisation à grande échelle, ces catalyseurs doivent toutefois être constitués d'éléments largement disponibles et très bon marché.
Nanostructures induites chimiquement
Pour accélérer la réaction d'évolution de l'oxygène à l'anode, les matériaux à base de nickel sont considérés comme de bons candidats. Le nickel est résistant à la corrosion, peu toxique et peu coûteux. Jusqu'à présent, cependant, les procédés à haute température, qui consomment beaucoup d'énergie, ont été principalement utilisés pour produire des matériaux catalytiques à base de nickel.
Une équipe dirigée par le Dr Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) a trouvé une méthode de "chimie douce" pour produire un catalyseur efficace à base de nanocristaux intermétalliques nickel-silicium.
"Nous avons combiné l'élément nickel avec le silicium, le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, et nous avons obtenu une nanostructuration via une réaction chimique. Le matériau obtenu présente d'excellentes propriétés catalytiques", explique Menezes. Le Ni2Si cristallin a servi de précatalyseur pour la réaction d'évolution de l'oxygène alcalin à l'anode et subit une transformation de surface pour former de l'hydroxyde de nickel(oxy) en tant que catalyseur actif dans des conditions de fonctionnement. De manière remarquable, l'électrolyse de l'eau a été associée à une réaction d'oxydation organique à valeur ajoutée dans laquelle l'électrosynthèse de composés nitrile de valeur industrielle a été produite à partir d'amines primaires avec une conversion sélective et complète dans des conditions douces. Ces méthodes d'électrosynthèse peuvent stimuler la production d'hydrogène à la cathode et donner simultanément accès à des produits industriels précieux à l'anode.
Plus efficace et plus stable
Comparé aux catalyseurs modernes à base de nickel, de cobalt, de fer, de ruthénium et d'iridium, le Ni2Si nanoporeux est nettement plus actif et reste stable pendant de longues périodes de réaction dans des conditions industrielles. Pour comprendre plus en détail le comportement du Ni2Si, l'équipe a combiné différentes méthodes de mesure, notamment des analyses élémentaires, la microscopie électronique et des mesures spectroscopiques modernes à BESSY II. "À l'avenir, même les électrolyseurs industriels d'eau alcaline pourraient être équipés d'un revêtement de ce siliciure de nickel nanoporeux", déclare Menezes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Indranil Mondal, J. Niklas Hausmann, Gonela Vijaykumar, Stefan Mebs, Holger Dau, Matthias Driess, and Prashanth W. Menezes; Nanostructured Intermetallic Nickel Silicide (Pre)Catalyst for Anodic Oxygen Evolution Reaction and Selective Dehydrogenation of Primary Amines; Advanced Energy Materials (2022)
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