Conception d'un catalyseur inspiré des batteries d'accumulateurs au plomb
RuIrOx dopé au Pb pour une évolution efficace et durable de l'oxygène acide dans des électrolyseurs à membrane d'échange de protons à 3 A/cm2
Une équipe de recherche internationale du Songshan Lake Materials Laboratory (SLAB), de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences et du Laboratoire international ibérique de nanotechnologie a mis au point un nouveau catalyseur à base d'oxyde de ruthénium et d'iridium (RuIrPbOₓ) dopé au plomb qui présente une stabilité et une efficacité exceptionnelles pour les réactions de dégagement de l'oxygène dans les électrolyseurs d'eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE) fonctionnant à des densités de courant élevées de 3 A/cm². Ce travail permet de relever des défis de longue date en matière de durabilité et de performance des catalyseurs dans des conditions acides et difficiles, ouvrant ainsi la voie à des technologies de production d'hydrogène plus fiables et plus rentables.
La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons est une solution énergétique propre bien connue et prometteuse. Les catalyseurs qui facilitent la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) dans des conditions très acides sont au cœur de cette technologie. Actuellement, les catalyseurs de pointe, principalement basés sur les oxydes de ruthénium et d'iridium, ont démontré une activité élevée mais souffrent de problèmes de durabilité importants lorsqu'ils sont utilisés à des densités de courant élevées. Leur dégradation structurelle, y compris la participation de l'oxygène du réseau et la lixiviation des métaux, limite la durée de vie opérationnelle et entrave le déploiement pratique. En outre, l'équilibre entre l'activité, la stabilité et le coût reste un défi persistant, en grande partie à cause de la nature corrosive de l'environnement et de la rareté des métaux nobles.
Actuellement, la plupart des électrolyseurs PEM utilisent des catalyseurs à base d'iridium, car l'IrO₂ peut résister à l'environnement acide corrosif. Cependant, l'iridium est l'un des éléments les plus rares et les plus chers sur Terre, et sa chaîne d'approvisionnement mondiale est vulnérable aux fluctuations géopolitiques. Le ruthénium, bien que plus abondant et plus actif, souffre d'une dissolution rapide sous haute tension, formant des espèces RuO₄ solubles qui entraînent une dégradation rapide. Des chercheurs du monde entier ont cherché à stabiliser les catalyseurs à base d'oxyde Ru-Ir ou à remplacer complètement l'iridium, mais le maintien d'une activité élevée et d'une durabilité à long terme sous des densités de courant industrielles est resté un défi de taille.
RuIrPbOx comme catalyseurs d'anodes PEMWE.
Fei Lin and Lifeng Liu from Songshan Lake Materials Laboratory.
La solution
S'inspirant de la chimie robuste des batteries plomb-acide, les chercheurs ont dopé des atomes de plomb dans le réseau d'oxyde Ru-Ir par un simple procédé sol-gel. Les atomes de plomb agissent comme des stabilisateurs électroniques, ajustant la structure locale des sites de ruthénium et empêchant leur dissolution, un mode d'échec clé dans les catalyseurs conventionnels.
Une caractérisation avancée a révélé que le dopage optimal au Pb supprime la participation destructrice de l'oxygène du réseau dans la réaction d'évolution de l'oxygène, préservant ainsi l'intégrité du catalyseur. Les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont en outre confirmé que le dopage au Pb réduit la covalence Ru-O et augmente l'énergie de dissolution du Ru, empêchant ainsi efficacement la lixiviation du Ru. Intégré dans un électrolyseur PEM complet, ce catalyseur a permis l'électrolyse de l'eau à 1,96 V @ 3 A cm-², surpassant les électrodes commerciales IrO₂ et RuO₂ tout en utilisant beaucoup moins de métal précieux. La charge totale en métaux du groupe du platine (Pt + Ru + Ir) a été réduite à 0,17 mg W-¹, ce qui se rapproche de l'objectif 2026 du DOE américain et dépasse l'objectif 2030 de l'UE en matière d'hydrogène propre pour l'électrolyse de l'eau.
L'avenir
Les travaux futurs se concentreront sur la mise à l'échelle de la fabrication des électrodes et sur l'optimisation de l'intégration du catalyseur dans les piles PEM de grande surface. L'équipe prévoit également d'explorer des dopants alternatifs et des stratégies de nanostructuration pour réduire davantage la consommation de métaux précieux et améliorer les performances à des densités de courant encore plus élevées.
Ces études visent à accélérer le déploiement industriel d'électrolyseurs d'eau PEM alimentés par des énergies renouvelables - une étape essentielle vers une économie mondiale de l'hydrogène vert.
L'impact
Cette découverte montre une voie pratique pour produire des catalyseurs efficaces et durables pour l'électrolyse de l'eau acide, en surmontant l'un des principaux obstacles à la production d'hydrogène vert à grande échelle. En combinant une réduction des coûts, une capacité de densité de courant élevée et une stabilité exceptionnelle, le catalyseur à base d'oxyde de Ru-Ir modifié au plomb établit une nouvelle référence pour la technologie d'électrolyse de la prochaine génération.
Ces travaux ne font pas seulement progresser la compréhension fondamentale des mécanismes de stabilité des oxydes de métaux précieux, mais fournissent également un modèle pour la conception d'électrocatalyseurs robustes pour les systèmes industriels d'énergie renouvelable.
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
Jingwei Wang, Kaiyang Xu, Zhipeng Yu, Hang Cui, Haoliang Huang, Chenyue Zhang, Run Ran, Liyuan Zeng, Yang Zhao, Xinyi Xiang, Weifeng Su, Yaowen Xu, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, Fei Lin, Lifeng Liu; "Lead-doped ruthenium-iridium oxide catalysts for durable acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers at 3 A/cm2"; Materials Futures, 2025-11-3
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