Un nanomatériau carboné pour la production et l’utilisation de l’oxygène
Les réactions électrochimiques impliquant l’oxygène sont au cœur 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 et des universités d’Aalto (Finlande) et de Vienne (Autriche) ont conçu un catalyseur à base d’atomes individuels greffés sur des nanotubes de carbone et du graphène dopé à l’azote, moins coûteux à produire et plus efficace que les autres matériaux 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.
Alternatives propres et durables aux combustibles fossiles, les piles à combustible et les électrolyseurs mettent en jeu de l’oxygène. 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 de catalyseurs. Or ces derniers utilisent souvent des métaux nobles, comme le platine et l’iridium qui sont chers, et ne fonctionnent que pour une seule des deux réactions. Des chimistes du Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (CIRIMAT, CNRS/Université Toulouse Paul Sabatier/Toulouse INP) et des universités d’Aalto (Finlande) et de Vienne (Autriche) ont mis au point un catalyseur basé sur l’association de graphène dopé à l’azote, de nanotubes de carbone et d’atomes métalliques individuels, comme le cobalt 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 d’énergie est produite avec les mêmes moyens, ce qui améliore l’empreinte écologique des piles à combustible. Le catalyseur est synthétisé en une seule étape, par un procédé de dépôt chimique catalytique en phase vapeur où des précurseurs gazeux sont décomposés sur un substrat catalytique dans un four 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 Hybrid: Synthesis and Tunable Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution and Reduction Reactions. ACS Catalysys, 2020
