Découverte d’un commutateur caché dans les nanocatalyseurs en argent
Des chercheurs ont découvert pour la première fois que le même nanocatalyseur en argent (Ag) peut fonctionner à différents sites de réaction, selon que la cellule à oxyde solide produit de l’électricité ou génère de l’hydrogène. Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle conception de ces dispositifs énergétiques de prochaine génération pour une meilleure performance.
Cette étude a été menée par les professeurs WooChul Jung et Jeong Woo Han du Département des Sciences des Matériaux et de l’Ingénierie de l’Université Nationale de Séoul (SNU), en collaboration avec l’équipe du professeur Sang Ouk Kim à KAIST et l’équipe du Dr Beomgyun Jeong à l’Institut Coréen des Sciences de Base (KBSI). Leurs résultats clarifient comment les nanocatalyseurs en argent améliorent la performance des cellules à oxyde solide et montrent que la localisation et le mécanisme des réactions de l’oxygène changent en fonction de l’utilisation de la cellule.
Les cellules à oxyde solide fonctionnent en déplaçant des ions oxygène à travers un matériau solide pour accomplir deux fonctions distinctes : générer de l’électricité ou décomposer l’eau pour produire de l’hydrogène. Grâce à cette polyvalence, cette technologie est considérée comme une option importante pour étendre l’utilisation de l’énergie propre et de l’hydrogène. Les applications potentielles vont des systèmes de production combinée de chaleur et d’électricité dans les bâtiments et les usines à la production d’hydrogène vert à partir d’énergies renouvelables.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue renommée Energy & Environmental Science et ont été sélectionnés comme article de couverture, soulignant leur importance.
La performance et la durabilité des cellules à oxyde solide dépendent largement de la rapidité des réactions de l’oxygène à l’électrode de l’air. Cependant, les structures complexes des électrodes réelles rendent difficile la détermination des sites d’action des nanocatalyseurs et de leur impact sur la performance. Des recherches antérieures avaient déjà montré que les nanocatalyseurs métalliques pouvaient améliorer le fonctionnement de ces cellules, mais il restait à clarifier si l’activité catalytique se produisait principalement à la surface du catalyseur ou à l’interface avec l’électrode.
Pour répondre à ces questions, l’équipe a développé un électrode modèle avec une structure et une composition soigneusement contrôlées. Les nanoparticules métalliques ont été agencées en motifs ordonnés permettant d’examiner leurs rôles catalytiques de manière plus précise. Les scientifiques ont comparé plusieurs nanocatalyseurs métalliques, dont l’argent, le cobalt, le palladium et le platine, et ont constaté que l’argent offrait la plus forte amélioration catalytique.
Les chercheurs ont ensuite modifié la taille et l’agencement des nanoparticules d’argent pour déterminer où se produisaient les réactions les plus importantes. Ils ont découvert que lors de la réaction de réduction de l’oxygène (production d’électricité), les taux de réaction augmentaient avec la longueur de l’interface entre les nanoparticules d’argent et l’électrode. En revanche, lors de la réaction d’évolution de l’oxygène (production d’hydrogène), les taux de réaction augmentaient avec la surface des nanoparticules d’argent elles-mêmes.
Ces observations suggèrent que les nanocatalyseurs ne devraient pas être considérés simplement comme des additifs, mais que leurs emplacements actifs et mécanismes de fonctionnement peuvent changer selon le mode de fonctionnement du système énergétique. Cette découverte pourrait mener à une nouvelle stratégie de conception pour les cellules à oxyde solide.
Si ce principe est intégré avec succès dans des dispositifs pratiques, il pourrait améliorer l’efficacité de la production d’électricité dans des systèmes énergétiques distribués et réduire l’électricité nécessaire pour l’électrolyse de l’eau alimentée par des énergies renouvelables.
Cette recherche a été soutenue par le Ministère de la Science et des TIC et la Fondation Nationale de Recherche de Corée.
Source : Energy & Environmental Science
