Le siliciure de nickel nanostructuré est prometteur pour l'hydrogène vert

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L'énergie électrique du vent ou du soleil peut être stockée sous forme d'énergie chimique dans l'hydrogène, un excellent carburant et vecteur d'énergie. La condition préalable à cela, cependant, est une électrolyse efficace de l'eau avec des catalyseurs peu coûteux. Pour la réaction de dégagement d'oxygène à l'anode, le siliciure de nickel nanostructuré promet désormais une augmentation significative de l'efficacité. Cela a été démontré par un groupe du HZB, de l'Université technique de Berlin et de la Freie Universität Berlin dans le cadre de la plateforme de recherche CatLab avec des mesures entre autres à BESSY II.

L'électrolyse est peut-être un concept familier des cours de chimie à l'école : deux électrodes sont immergées dans l'eau et mises sous tension. Cette tension provoque la décomposition des molécules d'eau en leurs composants et des bulles de gaz montent au niveau des électrodes : de l'oxygène gazeux se forme à l'anode, tandis que des bulles d'hydrogène se forment à la cathode. L'électrolyse pourrait produire de l'hydrogène de manière neutre en CO2 - tant que l'électricité requise est générée par des formes d'énergie non fossiles telles que le soleil ou le vent.

Le seul problème est que ces réactions ne sont pas très efficaces et extrêmement lentes. Pour accélérer les réactions, on utilise des catalyseurs, à base de métaux précieux et rares comme le platine, le ruthénium ou l'iridium. Pour une utilisation à grande échelle, cependant, de tels catalyseurs doivent être constitués d'éléments largement disponibles et très bon marché.

Pour accélérer la réaction de dégagement d'oxygène à l'anode, les matériaux à base de nickel sont considérés comme de bons candidats. Le nickel est résistant à la corrosion, peu toxique et également peu coûteux. Jusqu'à présent, cependant, les procédés à haute température énergivores ont été principalement utilisés pour produire des matériaux catalyseurs à base de nickel.

Une équipe dirigée par le Dr Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) a maintenant trouvé un moyen "chimique doux" de produire un catalyseur efficace à base de nanocristaux intermétalliques nickel-silicium.

"Nous avons combiné l'élément nickel avec le silicium, le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, et avons réalisé une nanostructuration via une réaction chimique. Le matériau résultant possède d'excellentes propriétés catalytiques", explique Menezes. Le Ni2Si cristallin a servi de précatalyseur pour la réaction de dégagement d'oxygène alcalin à l'anode et subit une transformation de surface pour former du nickel(oxy)hydroxyde en tant que catalyseur actif dans des conditions de fonctionnement. Remarquablement, l'électrolyse de l'eau a été en outre associée à une réaction d'oxydation organique à valeur ajoutée dans laquelle l'électrosynthèse de composés nitriles de valeur industrielle a été produite à partir d'amines primaires avec une conversion sélective et complète dans des conditions douces. De telles méthodes électrosynthétiques peuvent stimuler la génération d'hydrogène à la cathode et peuvent simultanément donner accès à des produits industriels de valeur à l'anode.

Comparé aux catalyseurs modernes à base de nickel, cobalt, fer, ruthénium et iridium, le Ni2Si nanoporeux est nettement plus actif et reste stable pendant un temps de réaction plus long dans des conditions de niveau industriel. Pour comprendre plus en détail le comportement du Ni2Si, l'équipe a combiné différentes méthodes de mesure, notamment des analyses élémentaires, la microscopie électronique et des mesures spectroscopiques modernes à BESSY II. "A l'avenir, même les électrolyseurs d'eau alcaline industriels pourraient être équipés d'un revêtement de ce siliciure de nickel nanoporeux", déclare Menezes.

Référence : Mondal I, Hausmann JN, Vijaykumar G, et al. (Pré)catalyseur de siliciure de nickel intermétallique nanostructuré pour la réaction d'évolution anodique de l'oxygène et la déshydrogénation sélective des amines primaires. Adv Energy Mat. 2022;12(25):2200269. doi:10.1002/aenm.202200269

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