Catalyseur lamellaire et électrolyte alcalin, la combinaison gagnante

Le stockage de l’énergie est un défi scientifique qui devient de jours en jours plus pressant. Une des solutions envisagées est de stocker l’énergie d’origine renouvelable sous forme d’un vecteur chimique à fort impact industriel, l’hydrogène, via l’utilisation d’un électrolyseur.

Malheureusement, les performances des électrolyseurs sont limitées par la cinétique lente d’une des réactions se produisant aux électrodes: La réaction d’oxydation de l’eau et de dégagement d’oxygène. Pour résoudre ce problème, les scientifiques conçoivent et étudient différents types de catalyseurs qui demeurent, pour le moment, trop instables à l’utilisation.

Une équipe internationale, réunissant plusieurs laboratoires du RS2E, rapporte dans un article publié dans Nature Communications la possibilité de coupler un catalyseur solide lamellaire avec un électrolyte alcalin afin d’éviter sa déstabilisation.

Contrebalancer les charges

Leurs travaux montrent que la structure lamellaire de l’électrocatalyseur étudié, à savoir α-Li₂IrO₃, permet à l’électrolyte alcalin à base potassium de s’intercaler à l’intérieur du matériau quand il réagit chimiquement avec l’eau (oxydation). Les cations K⁺ ainsi insérés participent à l’équilibre global des charges. Le catalyseur peut donc agir sans être déstabilisé et sans que ses performances en pâtissent. L’insertions des cations permet en plus l’apparition d’une nouvelle phase dit « birnessite » dans le matériau, dont l’activité pour l’oxydation de l’eau est 5 fois supérieure aux phases normales.

Figure 1: Intercalation des ions K⁺ pour contrebalancer l'équilibre des charges

Les chercheurs doivent encore tester cette stratégie à l’échelle d’un véritable électrolyseur pour s’assurer de sa viabilité. Néanmoins, elle offre déjà une piste de réflexion intéressante pour la conception de futurs catalyseurs via l’optimisation couplée d’un catalyseur et de l’électrolyte support. L’équipe scientifique a montré que ses observations s’appliquaient à un autre matériau lamellaire, LiCoO₂, qui présente l’avantage de ne pas contenir d’iridium, un métal de transition rare.  

Références :

Cation insertion to break the activity/stability relationship for highly active oxygen evolution reaction catalyst

Chunzhen Yang et al.

Nature Communication, 13/03/30, DOI : 10.1038/s41467-020-15231-x

Contact : Alexis Grimaud, alexis.grimaud@college-de-france.fr