Un nanomatériau carboné pour la production et l'utilisation de l'oxygène

Publié par Redbran le 27/04/2020 à 14:00
Source: CNRS INC
Les réactions électrochimiques impliquant l'oxygène sont au coeur des piles à combustible et de l'électrolyse de l'eau. Elles nécessitent des catalyseurs pour que leurs rendements soient optimaux. À l'aide d'un nouveau procédé de synthèse, des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et des universités d'Aalto (Finlande) et de Vienne (Autriche) ont conçu un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît...) à base d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) individuels greffés sur des nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) dopé à l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...), moins coûteux à produire et plus efficace que les autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) actuellement disponibles. Selon ces travaux publiés dans la revue ACS Catalysis, il a de plus l'avantage de fonctionner pour deux réactions électrochimiques majeures (consommation et production de l'oxygène) et d'être produit en une seule étape.


Ce nouveau catalyseur hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou...) combine nanotubes de carbone, graphène dopé à l'azote (en rouge) et atomes métalliques individuels (cobalt en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante est axée sur...), molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.) en bleu). © Mohammad Tavakkoli.

Alternatives propres et durables aux combustibles fossiles, les piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique...) et les électrolyseurs mettent en jeu de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). Ces deux systèmes reposent sur la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) ou sur la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) qui, pour rester rentables sur le plan énergétique, ont toutes deux besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) de catalyseurs. Or ces derniers utilisent souvent des métaux nobles, comme le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) et l'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.) qui sont chers, et ne fonctionnent que pour une seule des deux réactions. Des chimistes du Centre interuniversitaire de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique...) des matériaux (CIRIMAT, CNRS/Université Toulouse Paul Sabatier/Toulouse INP) et des universités d'Aalto (Finlande) et de Vienne (Autriche) ont mis au point (Graphie) un catalyseur basé sur l'association de graphène dopé à l'azote, de nanotubes de carbone et d'atomes métalliques individuels, comme le cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.) et le molybdène. Moins onéreux, il fonctionne aussi bien pour l'ORR que pour l'OER, et avec de meilleures performances que les matériaux à base de métaux nobles.

Plus ces réactions sont efficaces, et plus une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) est produite avec les mêmes moyens, ce qui améliore l'empreinte écologique (L’empreinte écologique vise à traduire de manière facilement compréhensible l’impact d’activités humaines sur les écosystèmes et la planète. Elle se mesure généralement en surface (hectares...) des piles à combustible. Le catalyseur est synthétisé en une seule étape, par un procédé de dépôt chimique catalytique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) vapeur () où des précurseurs gazeux sont décomposés sur un substrat catalytique dans un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de...) à mille degrés. Une piste que les chercheurs vont continuer d'explorer, en quête de catalyseurs toujours plus performants.

Référence:

Mohammad Tavakkoli, Emmanuel Flahaut, Pekka Peljo, Jani Sainio, Fatemeh Davodi, Egor V. Lobiak, Kimmo Mustonen, Esko I Kauppinen. Mesoporous Single-Atom-Doped Graphene‒Carbon Nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenue à...) Hybrid: Synthesis and Tunable Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution and Reduction Reactions.
ACS Catalysys, 2020.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00352
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