Une voie durable vers la production d’hydrogène vert devient possible grâce à l’utilisation d’électrocatalyseurs efficaces dans les recherches menées par le professeur de génie chimique de l’Université Texas A&M, le Dr Abdoulaye Djire.
Dans Catalyse CHEMDjire, David Kumar Yesudoss, étudiant diplômé en génie chimique, et le professeur de science et d’ingénierie des matériaux, le Dr Miladin Radovic, expliquent leurs recherches utilisant les MXenes, une nouvelle classe de matériaux en couches 2D, comme catalyseur prenant en charge l’atome de Ru pour la catalyse de la réaction de dégagement d’hydrogène (HER). pour la production d’hydrogène vert.
L’objectif est de produire de l’hydrogène vert en utilisant des matériaux bon marché et abondants sur terre qui utilisent de l’électricité renouvelable. Le platine, un métal noble et coûteux, est actuellement le catalyseur de référence pour cette réaction. L’utilisation de ces catalyseurs peu coûteux au lieu du platine réduira considérablement le coût de la technologie de l’hydrogène qui en résultera, a déclaré Djire.
« Mon travail est centré sur la conception et l’évaluation de matériaux destinés à être utilisés comme catalyseurs pour une production chimique durable », a déclaré Yesudoss. « Nous avons pu réduire de moitié le coût des catalyseurs utilisés pour produire de l’hydrogène vert, ce qui, à mon avis, est vraiment important. »
Plus de 95 % de l’hydrogène utilisé dans l’industrie chimique est produit par reformage du méthane à la vapeur, une méthode de combustible fossile ayant des impacts environnementaux négatifs, a déclaré Djire.
La méthode commerciale actuelle de production d’hydrogène n’est pas durable et contribue au réchauffement climatique. Djire a déclaré que ces travaux ouvriront la voie aux technologies durables de l’hydrogène.
« Nous avons montré que la vitesse de réaction des processus de conversion électrochimique pouvait être augmentée en modifiant les réponses électrochimiques de ces matériaux nanostructurés 2D (appelés MXènes) fabriqués dans notre laboratoire de la Texas A&M University », a déclaré Djire. « En insérant du métal, nous avons pu ajuster des matériaux peu coûteux et améliorer leurs performances pour qu’elles correspondent étroitement à celles des métaux nobles. Plus précisément, dans la structure du matériau, nous pouvons améliorer considérablement ses performances électrocatalytiques. »
À terme, le groupe vise à réduire davantage le coût du système en affinant la taille des particules jusqu’aux atomes individuels.
« Ces métaux nobles sont difficiles à extraire ; notre approche garantira que chaque atome soit utilisé efficacement pour la production d’hydrogène vert », a déclaré Yesudoss. « En gros, la taille d’un atome est inférieure à un nanomètre. Nous parlons donc d’environ 50 000 fois plus petit qu’un cheveu humain. »
Le groupe a utilisé la théorie fonctionnelle de la densité pour montrer les effets synergiques entre Ru et MXene, réalisés par leur collaborateur, le Dr Kingsley Obodo de l’Université du Nord-Ouest en Afrique du Sud. Cette collaboration a été établie dans le cadre du symposium États-Unis-Afrique sur les frontières de la science, de l’ingénierie et de la médecine à Nairobi, au Kenya, l’année dernière, où Djire et Obodo étaient tous deux des participants invités.
« Dans cette étude, nous avons ouvert la voie à une autre application, peut-être la plus prometteuse, des MXènes comme catalyseurs de HER », a déclaré Radovic.
Les résultats ont montré que les atomes de Ru s’attachent de préférence aux surfaces du MXène. À partir de ces résultats, une nouvelle approche consistant à régler l’activité électrocatalytique des MXènes s’est avérée permettre d’accélérer le développement d’une technologie de l’hydrogène rentable, efficace et durable.
« Si elle est développée davantage, cette technologie a le potentiel de révolutionner l’industrie chimique », a déclaré Djire.
Parmi les autres collaborateurs participants figurent l’étudiant diplômé Ekenedilichukwu Uwadiunor et l’étudiant de premier cycle Hoang Nguyen du département de génie chimique Artie McFerrin de Texas A&M, ainsi que les étudiants diplômés Vrushali Kotastane et Eugénie Pranda du département de science et d’ingénierie des matériaux de Texas A&M et le Dr Kingsley Obodo de HySa Infrastructure à l’Université du Nord-Ouest en Afrique du Sud.
Lors du symposium US-Africa Frontiers de l’année dernière, Djire a rencontré Obodo et a remarqué que son travail implique des travaux informatiques, où ils utilisent l’apprentissage automatique, la densité et la théorie fonctionnelle. C’est à partir de là que le partenariat a commencé.
Plus d’information:
Ekenedilichukwu Uwadiunor et al, Activité catalytique de type Pt à partir d’un carbonitrure MXène conçu par atomisation pour la production durable d’hydrogène, Catalyse chimique (2023). DOI : 10.1016/j.checat.2023.100634