Très bientôt, nous devons nous débarrasser des énergies fossiles, non seulement dans le secteur de l’énergie, mais aussi dans l’industrie. Les hydrocarbures ou autres produits chimiques bruts peuvent être produits en principe à l’aide d’énergie renouvelable et de molécules abondantes telles que l’eau et le dioxyde de carbone à l’aide de matériaux électrocatalytiquement actifs. Mais à l’heure actuelle, ces matériaux catalyseurs sont constitués de matériaux coûteux et rares ou manquent d’efficacité.
Une équipe dirigée par le Dr Prashanth W. Menezes (HZB / TU-Berlin) a maintenant acquis des connaissances sur la chimie de l’un des catalyseurs les plus actifs pour la réaction de dégagement d’oxygène anodique (OER), qui est une réaction clé pour fournir des électrons pour la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) dans la séparation de l’eau. L’hydrogène peut ensuite être transformé en d’autres composés chimiques, par exemple des hydrocarbures. De plus, dans la réduction électrocatalytique directe du dioxyde de carbone en alcools ou en hydrocarbures, l’OER joue également un rôle central.
Une classe très prometteuse d’électrocatalyseurs pour les OER sont les oxyhydroxydes de cobalt-fer. Les scientifiques ont analysé une série de borophosphates LiFe1-xCox à BESSY II avec différentes techniques de spectroscopie pour déterminer les états d’oxydation de l’élément Fer (Fe) dans différentes configurations.
Fer : États d’oxydation plus élevés et distances de liaison plus courtes
« Fe joue un rôle important dans les catalyseurs OER à base de Co. Cependant, la raison exacte de cela fait encore l’objet d’un débat. La plupart des études supposent/mesurent Fe dans des états d’oxydation inférieurs (+3) en tant que partie de la structure active. Dans notre cas , cependant, nous avons pu montrer Fe dans des états d’oxydation ≥ 4 et des distances de liaison raccourcies qui nous permettent de mieux comprendre les espèces catalytiquement actives », souligne Menezes.
Les électrocatalyseurs facilitent le transfert de charge du substrat (ici l’eau) vers les électrodes, ce qui implique principalement un changement des états d’oxydation des métaux de transition. Cependant, ces changements d’état d’oxydation sont parfois trop rapides pour être détectés, ce qui rend difficile la compréhension du principe de fonctionnement du catalyseur surtout lorsqu’il contient deux éléments potentiellement actifs.
Ce travail met l’accent sur la structure géométrique des sites actifs et sur le comportement redox des deux éléments participants (Co et Fe dans le cas présent). Une telle compréhension aide à permettre le développement guidé par la conception de catalyseurs au niveau moléculaire. « Nous espérons que la description électronique et structurelle détaillée pourra contribuer de manière substantielle à l’amélioration des catalyseurs OER », a déclaré Menezes.
Le travail est publié dans la revue Matériaux énergétiques avancés.
Plus d’information:
Lukas Reith et al, Détection in situ du fer dans les états d’oxydation ≥ IV dans l’oxyhydroxyde de fer-cobalt reconstruit pendant la réaction d’évolution de l’oxygène, Matériaux énergétiques avancés (2023). DOI : 10.1002/aenm.202203886