Hydrogène vert : le MXène renforce l'efficacité des catalyseurs
Une voie prometteuse vers une nouvelle classe de catalyseurs
Les MXènes sont capables d'accueillir des particules actives sur le plan catalytique. Cette propriété peut être exploitée pour créer des matériaux catalytiques plus puissants qui accélèrent et améliorent considérablement la réaction d'évolution de l'oxygène, qui est l'un des goulets d'étranglement dans la production d'hydrogène vert par électrolyse à l'aide de l'énergie solaire ou éolienne. Une étude détaillée réalisée par une équipe internationale dirigée par Michelle Browne, chimiste au HZB, montre le potentiel de ces nouveaux matériaux pour de futures applications à grande échelle. L'étude est publiée dans Advanced Functional Materials.
L'hydrogène vert est appelé à jouer un rôle important dans le futur système énergétique : il peut être utilisé pour stocker l'énergie chimique, comme matière première pour l'industrie chimique et pour produire des carburants respectueux du climat. L'hydrogène vert peut être produit de manière presque neutre sur le plan climatique si l'énergie utilisée pour l'électrolyse - le processus de séparation de l'eau en ses éléments - provient de l'énergie solaire ou éolienne. Cependant, des catalyseurs spéciaux sont nécessaires pour accélérer la formation d'hydrogène et d'oxygène aux deux électrodes. En particulier, la réaction d'évolution de l'oxygène est lente et nécessiterait beaucoup plus d'énergie sans catalyseurs efficaces. Actuellement, ces catalyseurs sont fabriqués à partir de métaux précieux, qui sont rares et coûteux. Pour produire de l'hydrogène vert dans les quantités requises à un prix raisonnable, il faut des catalyseurs fabriqués à partir d'éléments facilement disponibles.
Des structures floconneuses
Au HZB, une équipe dirigée par Michelle Browne développe des alternatives sophistiquées basées sur ce que l'on appelle les MXènes. Les MXènes sont des structures floconneuses composées de carbone et de métaux dits de transition. Les particules actives sur le plan catalytique peuvent adhérer aux surfaces internes des MXènes, renforçant ainsi leur effet catalytique. Une nouvelle étude publiée dans la revue Advanced Functional Materials montre que cette idée fonctionne.
Le premier auteur de l'étude, Can Kaplan, a utilisé différentes variantes d'un MXène de carbure de vanadium comme base de sa recherche. Il a saisi l'occasion de mener des recherches dans le laboratoire des partenaires suédois de l'université de Linköping pendant son doctorat, dans le cadre d'un programme d'échange.
Le rôle des vacations
"Nous y avons synthétisé deux variantes de MXène : le V2CTx pur et le V1.8CTx avec 10 % de vides de vanadium. Ces vides de vanadium garantissent que la surface interne de cette variante est nettement plus grande", explique Can Kaplan.
Intégrer le CoFe dans le MXène
Dans le laboratoire HZB de Michelle Browne, Can Kaplan a mis au point un processus chimique en plusieurs étapes pour intégrer des particules de catalyseur Co0,66Fe0,34 dans le MXene. Les images prises au microscope électronique à balayage montrent que ce procédé a été couronné de succès ; les MXènes purs ont une structure pâteuse, mais celle-ci a changé de manière significative grâce à l'incorporation des particules de cobalt et de fer.
Meilleure efficacité : CoFe dans le MXène déficient en vanadium
L'équipe a ensuite étudié l'effet des différents échantillons de catalyseurs utilisés pendant l'électrolyse : fer-cobalt pur et mélangé à l'une des deux variantes de MXène. Les résultats sont très clairs : le composé fer-cobalt pur agit également comme un catalyseur. Cependant, lorsqu'il est incorporé dans du MXène, l'effet catalytique augmente de manière significative. Et l'efficacité est encore améliorée lorsque le composé fer-cobalt est incorporé dans du MXène avec de nombreuses lacunes.
En utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X in situ à la source synchrotron SOLEIL en France, l'équipe a pu suivre les changements dans les nombres d'oxydation du cobalt et du fer au cours de la réaction électrolytique.
Une voie prometteuse vers une nouvelle classe de catalyseurs
Nous avons testé ces catalyseurs à la fois en laboratoire et dans un électrolyseur beaucoup plus grand", souligne M. Kaplan. Cela rend nos résultats vraiment significatifs et intéressants pour les applications industrielles".
Actuellement, l'industrie n'a pas encore considéré le MXène comme un matériau porteur pour les particules catalytiques actives sur le radar", déclare Michelle Browne. Nous menons ici une recherche fondamentale, mais avec des perspectives claires : les applications. Nos résultats ont permis de mieux comprendre l'interaction complexe entre la structure du support, l'intégration de particules catalytiques actives et l'activité catalytique". Le MXène est un candidat prometteur pour le développement de catalyseurs innovants, hautement efficaces et peu coûteux, conclut Michelle Browne.
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Publication originale
Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Thorsten Schultz, Leiqiang Qin, Ningjun Chen, Danielle A. Douglas‐Henry, Bastian Schmiedecke, Merve Buldu‐Akturk, Axel Zuber, Iris Dorbandt, Maximilian Reinhardt, Yael Rodriguez‐Ayllon, Yan Lu, Valeria Nicolosi, Norbert Koch, Johanna Rosen, Michelle P. Browne; "Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene‐Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers"; Advanced Functional Materials, 2025-5-15
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