L’hydrogène a attiré l’attention du monde universitaire et de l’industrie en tant que source d’énergie en raison de sa compatibilité environnementale intrinsèque, de son abondance et de sa haute densité énergétique (120 MJ kg-1). La séparation électrocatalytique de l’eau est une voie respectueuse de l’environnement pour produire de l’hydrogène, en particulier lorsque l’électricité provient de sources renouvelables qui minimisent les émissions de dioxyde de carbone tout au long du processus.
La réaction de dégagement d’oxygène (OER) sur l’anode et la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) sur la cathode sont deux demi-réactions dans la séparation électrocatalytique de l’eau. Les composés à base de Pt et de Ru/Ir sont les électrocatalyseurs de métaux nobles hautes performances les plus connus pour HER et OER, respectivement. Cependant, la rareté et le coût élevé de ces métaux nobles entravent leur application dans l’électrolyse de l’eau. Par conséquent, avec des perspectives mondiales, il est essentiel de développer des électrocatalyseurs en métaux non nobles abondants dans la terre pour les technologies de fractionnement de l’eau de nouvelle génération. Récemment, les électrocatalyseurs à base de Ni se sont avérés efficaces pour stimuler la séparation électrocatalytique de l’eau, mais leurs performances ne sont pas suffisamment élevées pour la production d’hydrogène à grande échelle.
Une équipe en Chine a fabriqué avec succès du Ni2O3/Ni2P dopé au Mn et du NixSy/Ni2P dopé au Mn par une réaction hydrothermique facile et ensuite une méthode de phosphorisation et de sulfuration.
Les pics de diffraction des rayons X (DRX) de NixSy/Ni2P dopé au Mn et de Ni2O3/Ni2P dopé au Mn indiquent que le NixSy/Ni2P dopé au Mn est composé de NixSy et de Ni2P, tandis que le Ni2O3/Ni2P dopé au Mn est composé de Ni2O3 et Ni2P . En outre, les images de microscopie électronique à balayage (SEM) et de microscopie électronique à transmission (TEM) montrent toutes deux la microstructure des nanofeuillets de Ni2O3/Ni2P dopé au Mn et de NixSy/Ni2P dopé au Mn. Néanmoins, les hétérostructures de Ni2O3/Ni2P et NixSy/Ni2P sont confirmées par les images TEM haute résolution.
Bénéficiant de la modulation électronique et des sites actifs abondants, le Ni2O3/Ni2P dopé au Mn a présenté une activité HER supérieure avec une densité de courant de -10 mA cm-2 à une faible surtension de 104 mV. Pendant ce temps, NixSy / Ni2P dopé au Mn a atteint une densité de courant de 100 mA cm-2 à une faible surtension de 290 mV pour OER et a montré un potentiel presque constant à 50 mA cm-2 pendant 160 h. Fait intéressant, la cellule électrolytique construite par ces deux électrocatalyseurs nécessitait une tension de cellule de seulement 1,65 V pour fournir 10 mA cm-2 avec une stabilité supérieure à 50 mA cm-2 pendant 120 h.
En conclusion, en combinant trois stratégies, le dopage au Mn, l’ingénierie des hétérostructures et l’application de matrices de nanofeuilles 3D, Ni2O3/Ni2P dopé au Mn et NixSy/Ni2P dopé au Mn sont fabriqués avec succès par une réaction hydrothermique facile suivie d’une phosphorisation, et dans le cas de NixSy/Ni2P dopé Mn, sulfuration. Des activités intrinsèques élevées sont activées par la modulation électronique des hétérostructures et le dopage au Mn, tandis que des sites actifs abondants sont garantis par des surfaces actives élargies à partir des réseaux de nanofeuilles 3D. La combinaison améliore de manière cumulative les activités électrocatalytiques vers HER, OER et la séparation globale de l’eau.
La recherche a été publiée dans Science Chine Matériaux.
Yuanzhi Luo et al, Ingénierie de l’hétérostructure simultanée et modulation du dopage au Mn des réseaux de nanofeuilles de Ni2P pour une séparation électrocatalytique améliorée de l’eau, Science Chine Matériaux (2022). DOI : 10.1007/s40843-021-1953-5