Les scientifiques savent depuis longtemps que le platine est de loin le meilleur catalyseur pour diviser les molécules d’eau afin de produire de l’hydrogène gazeux. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Brown montre pourquoi le platine fonctionne si bien, et ce n'est pas la raison supposée.

La recherche, publiée dans ACS Catalysis, aide à résoudre une question de recherche vieille de près d'un siècle, affirment les auteurs. Et cela pourrait aider à concevoir de nouveaux catalyseurs pour produire de l’hydrogène moins cher et plus abondant que le platine. Cela pourrait à terme contribuer à réduire les émissions provenant des combustibles fossiles.

"Si nous parvenons à trouver un moyen de produire de l'hydrogène de manière efficace et bon marché, cela ouvrira la porte à de nombreuses solutions pragmatiques pour les carburants et les produits chimiques non fossiles", a déclaré Andrew Peterson, professeur agrégé à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'étude. . « L’hydrogène peut être utilisé dans les piles à combustible, combiné avec un excès de CO2 pour fabriquer du carburant ou combiné avec de l’azote pour fabriquer des engrais ammoniaqués. Nous pouvons faire beaucoup avec l’hydrogène, mais pour faire de la séparation de l’eau une source d’hydrogène évolutive, nous avons besoin d’un catalyseur moins cher.

La conception de nouveaux catalyseurs commence par comprendre ce qui rend le platine si spécial pour cette réaction, explique Peterson, et c'est ce que cette nouvelle recherche visait à comprendre.

Le succès du platine a longtemps été attribué à son énergie de liaison « Boucle d'or ». Les catalyseurs idéaux ne retiennent les molécules en réaction ni trop lâchement ni trop étroitement, mais quelque part entre les deux. Liez les molécules de manière trop lâche et il est difficile de déclencher une réaction. Liez-les trop étroitement et les molécules adhèrent à la surface du catalyseur, ce qui rend la réaction difficile à réaliser. L'énergie de liaison de l'hydrogène sur le platine équilibre parfaitement les deux parties de la réaction de division de l'eau. La plupart des scientifiques pensent donc que c'est cet attribut qui rend le platine si bon.

Mais il y avait des raisons de se demander si cette image était exacte, dit Peterson. Par exemple, un matériau appelé bisulfure de molybdène (MoS2) a une énergie de liaison similaire à celle du platine, mais constitue un catalyseur bien pire pour la réaction de division de l'eau. Cela suggère que l’énergie de liaison ne peut pas expliquer toute l’histoire, dit Peterson.

Pour découvrir ce qui se passait, lui et ses collègues ont étudié la réaction de division de l'eau sur des catalyseurs au platine en utilisant une méthode spéciale qu'ils ont développée pour simuler le comportement d'atomes et d'électrons individuels dans des réactions électrochimiques.

L'analyse a montré que les atomes d'hydrogène qui sont liés à la surface du platine à l'énergie de liaison « Boucle d'or » ne participent pas du tout à la réaction lorsque la vitesse de réaction est élevée. Au lieu de cela, ils se nichent dans la couche cristalline superficielle du platine, où ils restent des spectateurs inertes. Les atomes d’hydrogène qui participent à la réaction sont bien plus faiblement liés que l’énergie supposée de « Boucle d’or ». Et plutôt que de se nicher dans le réseau, ils se trouvent au sommet des atomes de platine, où ils sont libres de se rencontrer pour former du gaz H2.

C'est cette liberté de mouvement des atomes d'hydrogène à la surface qui rend le platine si réactif, concluent les chercheurs.

"Ce que cela nous dit, c'est que rechercher cette énergie de liaison" Boucle d'or "n'est pas le bon principe de conception pour la région à forte activité", a déclaré Peterson. "Nous suggérons que la conception de catalyseurs qui mettent l'hydrogène dans cet état hautement mobile et réactif est la voie à suivre."