Le moteur à explosion fonctionnant à l’hydrogène sera une révolution. Il rejettera de l’eau plutôt que du CO2, redoutable gaz à effets de serre. Encore faudra-t-il disposer d’hydrogène en grande quantité, pouvant être liquéfiée et embarquable dans des véhicules. Or l’hydrogène est rare dans le nature. La France avait fait sensation en annonçant récemment disposer de réserves naturelles considérables.
Aujourd’hui des chimistes allemands, basés à l’université de Münster, annoncent avoir découvert une méthode photocatalytique – la photocatalyse est l’accélération d’une photoréaction en présence d’un catalyseur – pour simplifier la production d’hydrogène. Il s’agira d’hydrogène dit vert car produit à partir de solutions naturelles.
Cette étude nous informe que ce nouveau processus concerne la « division de l’eau ». On se reportera à leur article publié dans Nature du 5 mai 2021 https://www.nature.com/articles/s41586-021-03454-x dont nous reprenons ci-dessous les références et l’abstract.
La nouvelle méthode implique les triarylphosphines, un type de phosphine organique dont les utilisations industrielles sont nombreuses, notamment en guise de stabilisants à la chaleur et à la lumière. Voir https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00014
Concrètement, cette méthode se distinguerait par son efficacité en matière de production d’hydrogène. Dans sa version dite verte, faisant appel à de l’électricité renouvelable, l’hydrogène est considéré comme une solution énergétique prometteuse et intervient dans la formation de divers composés cruciaux.
En matière de division de l’eau, le défi est grand car il est difficile de séparer les atomes d’hydrogène et d’oxygène. Un catalyseur, une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique, est donc souvent nécessaire. Celui-ci facilite le processus chimique.
L’équipe allemande, dirigée par le professeur Armido Studer, est parvenue à concevoir un processus photocatalytique pour décomposer l’eau. La démarche s’écarte de l’utilisation de complexes de métaux de transition, souvent utilisés pour produire de telles réactions. Les scientifiques se sont donc servis de triarylphosphines.
Selon ce processus, le transfert des atomes d’hydrogène vers des cations radicalaires est facilité. Le terme « cation » désigne des groupements d’atomes qui manifestent une charge électrique positive, tandis que le terme « radicalaire » renvoie à des groupements d’atomes susceptibles d’entrer dans la composition d’une autre molécule de structure différente, activée par l’intermédiaire des captions radicalaires. Une fois isolés, les atomes d’hydrogène pourront être manipulés par les chercheurs.
Le professeur Armido Studer a précisé que ce nouveau système offrait « une plateforme idéale pour comprendre les processus chimiques non étudiés qui utilisent l’atome d’hydrogène comme réactif en synthèse ».
Une telle performance présentera de nombreux avantages. Elle pourrait, par exemple, donner lieu à des avancées notables dans les domaines de la science des matériaux, de la recherche phamaceutique ou de l’agriculture. De là à remplacer l’essence de pétrole dans les moteurs à explosion, il faudra franchir un grand pas.
SOURCES
- Published: 05 May 2021
Correlative operando microscopy of oxygen evolution electrocatalysts
- J. Tyler Mefford,
- Andrew R. Akbashev,
- Minkyung Kang,
- Cameron L. Bentley,
- William E. Gent,
- Haitao D. Deng, h
- Daan Hein Alsem,
- Young-Sang Yu,
- Norman J. Salmon,
- David A. Shapiro,
- Patrick R. Unwin &
- William C. Chueh
Nature
volume 593, pages 67–73 (2021)
Abstract
Transition metal (oxy)hydroxides are promising electrocatalysts for the oxygen evolution reaction1,2,3. The properties of these materials evolve dynamically and heterogeneously4 with applied voltage through ion insertion redox reactions, converting materials that are inactive under open circuit conditions into active electrocatalysts during operation5. The catalytic state is thus inherently far from equilibrium, which complicates its direct observation. Here, using a suite of correlative operando scanning probe and X-ray microscopy techniques, we establish a link between the oxygen evolution activity and the local operational chemical, physical and electronic nanoscale structure of single-crystalline β-Co(OH)2 platelet particles. At pre-catalytic voltages, the particles swell to form an α-CoO2H1.5·0.5H2O-like structure—produced through hydroxide intercalation—in which the oxidation state of cobalt is +2.5. Upon increasing the voltage to drive oxygen evolution, interlayer water and protons de-intercalate to form contracted β-CoOOH particles that contain Co3+ species. Although these transformations manifest heterogeneously through the bulk of the particles, the electrochemical current is primarily restricted to their edge facets. The observed Tafel behaviour is correlated with the local concentration of Co3+ at these reactive edge sites, demonstrating the link between bulk ion-insertion and surface catalytic activity.
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