Une plateforme prometteuse pour la réaction électrocatalytique de réduction de l’azote

Une équipe chinoise a publié de nouveaux travaux dans Progrès des matériaux énergétiques.

« En 2017, nous avons signalé une nouvelle famille de borures de métaux de transition 2D comme analogues aux MXenes et leur avons donné un nom accrocheur, MBenes », a déclaré l’auteur de l’article Zhimei Sun, professeur à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de Beihang.

« Jusqu’à présent, les MBenes ont été largement étudiés en tant que catalyseurs ou substrats de diverses réactions, notamment HER, ORR/OER, NRR et CO2RR. Notamment, l’exploration des performances électrocatalytiques des MBenes se concentre principalement sur ceux à structure orthorhombique, des études sur l’application des MBènes hexagonaux (h-MBenes) comme électrocatalyseurs. »

Sun a expliqué que les MBènes présentent plusieurs avantages significatifs en tant que catalyseurs, tels qu’une excellente conductivité électrique, des propriétés mécaniques et des propriétés électroniques. Plus précisément, certains chercheurs ont prédit que certains MBènes avec des phases hexagonales seraient plus stables que leurs phases orthorhombiques correspondantes.

« Il a été prédit que le Zr2B2 et le Hf2B2 hexagonaux ont la chance d’être exfoliés, et les stabilités dynamiques et thermiques du Zr(Hf)2B2 ont été vérifiées dans des enquêtes antérieures. »

« De plus, ils présentent une bonne conductivité métallique pour assurer l’efficacité du transfert d’électrons. Et pendant ce temps, Zr2B2 présente une capacité théorique élevée et de faibles barrières d’énergie de migration pour Li+/Na+, démontrant les grandes perspectives de ces matériaux prédits pour le stockage et la conversion d’énergie électrochimique. »

Cependant, comme pour les électrocatalyseurs, le manque de sites actifs et de centres de charge efficaces est un problème majeur, rendant difficile l’activation des réactifs. Parmi diverses stratégies modifiées, les catalyseurs à un seul atome (SAC), qui possèdent généralement une réactivité accrue et une sélectivité élevée envers des produits spécifiques, offrent une opportunité sans précédent pour le développement d’électrocatalyseurs.

Plus précisément, il a été démontré que les MBènes possèdent de superbes caractéristiques physiques et chimiques, qui sont très recherchées en tant que substrats pour les catalyseurs à un seul atome.

Pour explorer les applications potentielles de Zr2B2 et Hf2B2 hexagonaux en tant qu’électrocatalyseurs NRR, Sun et son équipe ont systématiquement étudié les performances NRR électrocatalytiques d’une série d’atomes de métaux de transition (par exemple 3d4d5d) intégré dans MBene hexagonal défectueux nanofeuilles (h-Zr(Hf)2B2O2) et identifié que h-Zr(Hf)2B2O2 pourrait être une excellente plateforme pour le NRR électrocatalytique.

« Sur la base de nos critères de sélection proposés, 16 candidats ont été efficacement sélectionnés parmi 50 systèmes, parmi lesquels Zr2B2O2-Cr s’est démarqué par une sélectivité élevée pour NRR contre HER ainsi qu’un potentiel de limitation ultra-faible (-0,10 V) », Sun a dit. « La valeur est nettement inférieure à celle de la surface Ru (0001) étagée bien établie (−0,43 V). »

« L’origine de l’activité élevée est attribuée à l’effet synergique de l’atome unique (SA) et des atomes M dans le substrat. Plus impressionnant, un descripteur de composition a été proposé en outre sur la base des caractéristiques inhérentes aux catalyseurs (nombre d’électrons de valence des SAs, électronégativité des SAs et des atomes de Zr(Hf)), ce qui permet de mieux prédire les performances catalytiques. »

Ce travail a non seulement identifié des électrocatalyseurs NRR efficaces, mais ouvre également une nouvelle voie dans l’application de h-MBenes, qui déclenchera davantage d’efforts pour développer ce nouveau matériau 2D expérimentalement et théoriquement.