Découverte d'une nouvelle dynamique dans la catalyse hétérogène
Des chercheurs ont montré que les catalyseurs solides peuvent parfois se comporter différemment de ce que l'on pensait lors de la production d'hydrogène
L'évolution de l'oxygène est considérée comme l'une des étapes les plus énergivores de l'électrolyse de l'eau et constitue donc un facteur clé pour une production plus efficace d'hydrogène vert. Jusqu'à présent, la modélisation des mécanismes de réaction reposait sur l'hypothèse que les étapes élémentaires se déroulaient de manière séquentielle et non concertée. Une équipe dirigée par le professeur Kai S. Exner de l'université de Duisbourg-Essen vient de montrer que cette hypothèse n'est pas toujours correcte. Les résultats, publiés dans Nature Communications, ouvrent de nouvelles possibilités d'amélioration des catalyseurs solides pour les applications de conversion et de stockage de l'énergie.
Il existe deux types fondamentaux de catalyse : les catalyseurs homogènes ont le même état physique que les substances à convertir (par exemple, ils sont tous liquides), tandis que les catalyseurs hétérogènes sont dans une phase différente, par exemple un solide qui réagit avec des liquides ou des gaz. Pour qu'une réaction ait lieu à la surface d'un catalyseur solide, les substances de départ (réactifs) doivent se fixer à sa surface (adsorption) et se dissoudre à nouveau après la réaction (désorption).
Jusqu'à présent, la recherche sur les catalyseurs solides - c'est-à-dire la variante hétérogène - a supposé que l'adsorption et la désorption se produisaient de manière séquentielle : le réactif se lie au catalyseur, réagit, puis le produit se dissout. En revanche, en catalyse homogène, on sait que ces étapes se déroulent simultanément.
Lors de la modélisation des mécanismes de réaction en catalyse hétérogène, les éventuelles étapes élémentaires simultanées n'ont pas toujours été prises en compte. Une étude théorique menée au sein du pôle d'excellence RESOLV montre toutefois que le dioxyde d'iridium solide (IrO₂), qui est utilisé comme matériau d'anode pour la production d'hydrogène vert, se comporte comme un catalyseur homogène en ce qui concerne l'évolution de l'oxygène : l'oxygène est produit dans un "mécanisme de type Walden" dans lequel l'adsorption et la désorption se produisent de manière concertée, par analogie avec les variantes homogènes. Cela contredit les idées précédentes et ouvre de nouvelles possibilités d'amélioration des catalyseurs solides qui sont plus étroitement alignés sur les principes des processus homogènes en solution.
Les recherches d'Exner s'appuient sur plusieurs projets communs à l'université de Duisbourg Essen et à l'alliance universitaire de la Ruhr : le projet Natural Water to Hydrogen dirigé par le professeur Corina Andronescu, le centre de recherche collaboratif 247 Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase et, enfin, les recherches menées dans le nouveau bâtiment Active Sites, dont la cérémonie de pose de la première pierre a eu lieu récemment.
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