Les catalyseurs à base de carbone ont suscité une grande attention au cours des dernières décennies en tant qu’alternative économique aux catalyseurs à base de métaux nobles pour les systèmes d’énergie renouvelable.
Une étude récente, affiliée à l’UNIST, a dévoilé le principe théorique selon lequel les catalyseurs à base de carbone favorisent les réactions électrochimiques. La clé de cela est que la présence de défauts de carbone, ainsi que la flexibilité structurelle et les réactions chimiques, sont combinées pour permettre l’amélioration de l’activité catalytique même sans avoir besoin de catalyseurs de métaux précieux, tels que le platine (Pt).
La réaction de réduction de l’oxygène (ORR) est une réaction électrochimique importante et a été largement appliquée dans les applications d’énergie renouvelable, telles que les piles à combustible à hydrogène, la séparation de l’eau et les batteries métal-air (MAB). Actuellement, les catalyseurs commerciaux à base de Pt (PBC) sont largement utilisés à cette fin en raison de leur activité catalytique supérieure. Cependant, le prix élevé, l’empoisonnement au CO facile et la faible durabilité du Pt entravent les applications à grande échelle des PBC, et ont ainsi noté l’équipe de recherche.
Les catalyseurs à base de carbone sont activement étudiés en tant que matériau alternatif de premier plan, et l’efficacité et la composition des catalyseurs sont constamment améliorées. Cependant, la cause des catalyseurs à base de carbone favorisant les réactions électrochimiques n’est pas claire, ce qui ralentit le développement des catalyseurs à base de carbone.
Dans cette étude, l’équipe de recherche a démontré comment deux types de défauts – les lacunes de carbone et les dopants pyridiniques-N, dans les matériaux carbonés sans métal – améliorent l’adsorption d’O2, une étape de réaction critique pour l’activation de l’ORR.
« Nos calculs et notre analyse structurelle ont révélé que les défauts permettent aux sites carbonés voisins d’adsorber l’O2 en améliorant la flexibilité structurelle et, ainsi, en abaissant la barrière énergétique pour la transition sp2/sp3 de l’atome de carbone », a noté l’équipe de recherche. « Ainsi, l’environnement structurel non local est aussi critique que l’interaction directe entre le site d’adsorption et l’adsorbat dans la réaction chimique. »
Leurs découvertes montrent en outre que le N pyridinique présente des avantages par rapport aux lacunes de carbone en termes de stabilité structurelle. « Notre étude est basée sur de nombreuses investigations théoriques et expérimentales sur les matériaux carbonés et est cohérente avec les résultats expérimentaux catalytiques », a ajouté l’équipe de recherche. « De plus, nos résultats peuvent être étendus aux réactions chimiques générales dans les matériaux en carbone défectueux et stimuleront la recherche en ingénierie des défauts. »
Leurs conclusions ont été publiées dans ACS Nano.
Plus d’information:
Keunsu Choi et al, Étude théorique du mécanisme de réaction de réduction de l’oxygène dans les matériaux carbonés sans métal : défauts, flexibilité structurelle et réaction chimique, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021/acsnano.2c05607