Journal de la nanomédecine et de la découverte biothérapeutique
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Abstrait

Des nanocatalyseurs abondants sur Terre pour la production d'hydrogène propre par fractionnement de l'eau

Junyuan Xu

L'hydrogène (H2) a été proposé comme vecteur d'énergie propre et neutre en carbone qui peut être utilisé comme carburant de nouvelle génération pour répondre aux besoins stationnaires et de transport. Comparé au reformage à la vapeur, le fractionnement électrocatalytique de l'eau représente un moyen plus écologique et plus durable de produire de l'H2 et a fait l'objet de recherches intensives ces dernières années. La réaction d'évolution de l'oxygène (OER) a été un obstacle à l'amélioration de l'efficacité du fractionnement de l'eau. Elle implique quatre étapes concertées de transfert d'électrons couplés aux protons et est à la fois exigeante sur le plan thermodynamique et cinétique. Sans catalyseur, l'OER se déroule généralement à un surpotentiel élevé, ce qui entraîne une perte d'énergie importante. Par rapport à l'OER, la réaction d'évolution du H2 (HER) peut être réalisée relativement facilement, mais des électrocatalyseurs efficaces sont toujours nécessaires pour réduire le surpotentiel de l'HER et permettre à la réaction de se dérouler à un rythme pratiquement élevé. Récemment, il a été démontré que les électrocatalyseurs à base de métaux de transition abondants sur terre sont très actifs pour les HER et les OER et sont proposés comme des alternatives prometteuses aux catalyseurs à base de métaux du groupe du platine (PGM) pour une utilisation dans les électrolyseurs d'eau. Dans cette étude, nous avons montré nos récents efforts pour développer des électrocatalyseurs à base de métaux de transition efficaces et durables, notamment des phosphures de métaux de transition obtenus par réduction chimique par voie humide suivie d'un traitement de post-phosphorisation et des clusters ultrafins de cobalt préparés par dépôt par faisceau de clusters. Nous avons démontré que tous ces catalyseurs présentent des performances électrocatalytiques favorables par rapport aux électrocatalyseurs à base de PGM pour HER ou OER et sont donc très prometteurs pour une utilisation en tant que catalyseurs à faible coût dans les électrolyseurs d'eau.

Français La séparation électrocatalytique de l'eau est une approche prometteuse pour générer de l'hydrogène à partir de l'eau. Afin d'améliorer l'efficacité de la séparation de l'eau, il est essentiel de favoriser la révolution du gaz à partir de la surface des catalyseurs, de réduire le surpotentiel d'évolution de l'oxygène (OER) et d'inhiber la production du sous-produit de peroxyde d'hydrogène. Pour y parvenir, dans ce travail, nous nous inspirons de la nature pour favoriser l'activité de séparation de l'eau des microsphères creuses poreuses de Fe3O4 ( M − _{Fe3O4 )}  à l' aide de l'hémoglobine. Une monocouche d'hémoglobine s'est auto-assemblée à la surface des catalyseurs M − _{Fe3O4 . Elle a transporté les} molécules d'oxygène nouvellement générées loin de la surface des catalyseurs et _{a présenté un effet de sélectivité de spin induite par}  la chiralité ( CISS ) pendant la réaction OER. En raison du « coup de main » de l'hémoglobine, le potentiel de démarrage de l'OER des _{microsphères} creuses poreuses de Fe3O4 a _été  réduit de 100 mV et la densité de courant a été multipliée par 2. Les résultats indiquent une nouvelle stratégie pour la conception de catalyseurs abondants sur terre qui combinent les mérites du transfert d'oxygène et  de l'effet CISS  pour la séparation électrocatalytique de l'eau.