La réalisation d'un processus de transfert d'électrons efficace dans la réaction d'évolution de l'oxygène en modifiant les états électroniques autour du niveau de Fermi est cruciale pour le développement d'électrocatalyseurs performants et robustes. Généralement, le transfert d'électrons se déroule uniquement par le biais d'une chimie redox métallique (un mécanisme d'évolution de l'adsorbat (AEM), avec des bandes métalliques autour du niveau de Fermi) ou d'une chimie redox de l'oxygène (un mécanisme d'oxydation de l'oxygène du réseau (LOM), avec des bandes d'oxygène autour du niveau de Fermi), sans l'occurrence simultanée des deux chimies redox du métal et de l'oxygène dans la même voie de transfert d'électrons.

Nous rapportons ici un mécanisme de transfert d'électrons qui implique une chimie redox de métal et d'oxygène commutable dans des matériaux à base de nickel-oxyhydroxyde avec la lumière comme déclencheur. Contrairement à l'AEM et au LOM traditionnels, le mécanisme proposé d'évolution couplée de l'oxygène déclenché par la lumière exige que la cellule unitaire subisse une conversion géométrique réversible entre l'octaèdre (NiO6) et le plan carré (NiO4) pour atteindre des états électroniques (autour du niveau de Fermi) avec des caractères alternatifs de métal et d'oxygène tout au long du processus d'évolution de l'oxygène. L'utilisation de cette voie de transfert d'électrons permet de contourner les étapes potentiellement limitantes, à savoir la liaison oxygène-oxygène dans l'AEM et la déprotonation dans le LOM.

Par conséquent, les électrocatalyseurs qui fonctionnent par cette voie présentent une activité supérieure à celle des électrocatalyseurs rapportés précédemment. Ainsi, on s'attend à ce que le mécanisme couplé d'évolution de l'oxygène proposé, déclenché par la lumière, ajoute une couche de compréhension à la scène de la recherche sur l'évolution de l'oxygène.

27 Octobre 2022

Des chercheurs de NUS mettent au point une technique révolutionnaire pour générer de l'hydrogène plus efficacement à partir de l'eau
La découverte par l'équipe que la lumière peut déclencher un tout nouveau mécanisme électro-catalytique d'électrolyse de l'eau pourrait rendre l'hydrogène plus abordable comme source d'énergie propre.
2022 1027 électrolyse de l'eau_NN_1
Une équipe de la NUS dirigée par le professeur associé Xue Jun Min (au centre) a découvert que la lumière peut déclencher un nouveau mécanisme dans un matériau catalytique largement utilisé dans l'électrolyse de l'eau (présenté par M. Zhong Haoyin), où l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène. Le résultat est une méthode plus efficace sur le plan énergétique pour obtenir de l'hydrogène. Le Dr Vincent Lee Wee Siang (à droite) est membre de l'équipe de recherche.

Une équipe de chercheurs de l'université nationale de Singapour (NUS) a fait une découverte scientifique fortuite qui pourrait révolutionner la façon dont l'eau est décomposée pour libérer de l'hydrogène, un élément crucial pour de nombreux processus industriels.

L'équipe, dirigée par le professeur associé Xue Jun Min, le Dr Wang Xiaopeng et le Dr Vincent Lee Wee Siang du département de science et d'ingénierie des matériaux du NUS College of Design and Engineering (NUS CDE), a découvert que la lumière peut déclencher un nouveau mécanisme dans un matériau catalytique largement utilisé dans l'électrolyse de l'eau, où l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène. Le résultat est une méthode d'obtention d'hydrogène plus efficace sur le plan énergétique.

Cette percée a été réalisée en collaboration avec le Dr Xi Shibo de l'Institute of Sustainability for Chemicals, Energy and Environment de l'Agency for Science, Technology and Research (ASTAR), le Dr Yu Zhigen de l'Institute of High Performance Computing de l'ASTAR et le Dr Wang Hao du Department of Mechanical Engineering du NUS CDE.

"Nous avons découvert que le centre redox de la réaction électrocatalytique passe du métal à l'oxygène sous l'effet de la lumière", a déclaré le professeur adjoint Xue. "Cela améliore considérablement l'efficacité de l'électrolyse de l'eau".

Cette nouvelle découverte peut potentiellement ouvrir la voie à de nouvelles méthodes industrielles plus efficaces pour produire de l'hydrogène et mettre cette source de carburant écologique à la portée d'un plus grand nombre de personnes et d'industries.

Le professeur Xue et son équipe ont détaillé leur découverte dans un article de recherche publié dans la célèbre revue scientifique Nature le 26 octobre 2022.

 La percée accidentelle

 En temps normal, le professeur Xue et son équipe n'auraient peut-être pas pu faire une découverte aussi révolutionnaire. Mais une mise sous tension accidentelle des plafonniers de son laboratoire il y a près de trois ans leur a permis d'observer quelque chose que la communauté scientifique mondiale n'avait pas encore réussi à faire.

À l'époque, les plafonniers du laboratoire de recherche du professeur agrégé Xue étaient généralement allumés pendant 24 heures. Une nuit en 2019, les lumières se sont éteintes en raison d'une panne de courant. Lorsque les chercheurs sont revenus le lendemain, ils ont constaté que les performances d'un matériau à base d'oxyhydroxyde de nickel dans l'expérience d'électrolyse de l'eau, qui s'était poursuivie dans l'obscurité, avaient chuté de manière drastique.

"Cette baisse de performance, personne ne l'avait jamais remarquée auparavant, car personne n'avait jamais réalisé l'expérience dans l'obscurité", a déclaré le professeur adjoint Xue. "De plus, la littérature dit qu'un tel matériau ne devrait pas être sensible à la lumière ; la lumière ne devrait avoir aucun effet sur ses propriétés."

Le mécanisme électro-catalytique de l'électrolyse de l'eau est un sujet très bien étudié, tandis que le matériau à base de nickel est un matériau catalytique très courant. Par conséquent, afin d'établir qu'ils étaient sur le point de découvrir quelque chose de révolutionnaire, le professeur adjoint Xue et son équipe ont entrepris de nombreuses expériences répétées. Ils ont approfondi les mécanismes à l'origine d'un tel phénomène. Ils ont même répété l'expérience en dehors de Singapour pour s'assurer que leurs résultats étaient cohérents.

Trois ans plus tard, le professeur Xue et son équipe ont enfin pu publier leurs résultats dans un article.
2022 1027 électrolyse de l'eau_NN_2
La découverte révolutionnaire du professeur Xue Jun Min (au centre) et de son équipe pourrait rendre l'hydrogène plus abordable en tant que source d'énergie propre.

Prochaines étapes

Forte de ses découvertes, l'équipe travaille maintenant à la conception d'une nouvelle façon d'améliorer les processus industriels de production d'hydrogène. Le professeur associé Xue suggère de rendre transparentes les cellules contenant de l'eau, afin d'introduire de la lumière dans le processus de séparation de l'eau.

"Cela devrait nécessiter moins d'énergie dans le processus d'électrolyse, et il devrait être beaucoup plus facile d'utiliser la lumière naturelle", a déclaré le professeur associé Xue. "On peut produire plus d'hydrogène en un temps plus court, avec moins d'énergie consommée".

Les entreprises alimentaires utilisent l'hydrogène pour transformer les huiles et les graisses insaturées en graisses saturées, qui nous donnent la margarine et le beurre. L'hydrogène est également utilisé pour souder les métaux, car il peut générer une température élevée de 4 000 °C. L'industrie pétrolière utilise le gaz pour éliminer le soufre du pétrole. 

En outre, l'hydrogène peut potentiellement être utilisé comme carburant. Longtemps présenté comme un carburant durable, l'hydrogène ne produit aucune émission car il brûle en réagissant avec l'oxygène - aucune inflammation n'est nécessaire, ce qui en fait une source de carburant plus propre et plus verte. Il est également plus facile à stocker, ce qui le rend plus fiable que les batteries à énergie solaire.

Le professeur adjoint Xue est heureux que les résultats obtenus par son équipe de chercheurs puissent contribuer à la découverte scientifique. Il pense que le moyen de développer la science n'est pas de trouver sans cesse de nouvelles façons de faire ce qui a déjà été fait, mais de repousser constamment les limites.

"Ce n'est que par l'accumulation de nouvelles connaissances que nous pourrons améliorer progressivement la société", a déclaré le professeur associé Xue. 

Une bonne partie des questions scientifiques liées à la production d’hydrogène naturel restent à éclaircir, mais beaucoup de données suggèrent que l’H2 natif vient des interactions entre l’eau et les roches. Les géologues appellent ça la diagénèse. Exemple de réaction, le fer ferreux (Fe2⁺) contenu dans des roches en contact avec de l’eau s’oxyde en fer ferrique (Fe3⁺), libérant l’H2. L’eau peut être celle de la mer, on observe ces réactions au niveau de toutes les dorsales médio-océaniques, ou celle de la pluie et c’est ce qu’on observe en Islande.

Ce type de réaction peut aussi se faire avec d’autres métaux comme le magnésium ; elle est rapide et efficace à haute température, vers 300 °C, mais est aussi possible à des températures plus basses d’une centaine de degrés. La cinétique de ces réactions fait l’objet de nombreuses recherches.