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Comprendre la dissociation électrocatalytique de l’eau à l’échelle nanométrique

27/01/2020

Dans le cadre d’une étude portant sur les nanoparticules inorganiques utilisées comme catalyseurs dans des réactions telles que l’électrolyse de l’eau, des chercheurs de l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS) en collaboration avec d’autres laboratoires ont pu comprendre pour la première fois l’origine des propriétés électrocatalytiques des nanoparticules d’oxyde de cobalt. Ce projet de l’Agence nationale de la recherche a été publié dans le journal ACS Nano 2019.

Nathaly Ortiz-Pena s’intéresse aux
matériaux utilisés pour l’électrolyse
de l’eau. Photo DR

Grâce à la microscopie électronique, Ovidiu Ersen, chercheur à l’IPCMS, et son équipe peuvent observer en direct le comportement des catalyseurs et leur évolution à l’échelle nanométrique et ceci en conditions de fonctionnement, dans le milieu dans lequel les réactions se produisent. « Le but, pour un électrocatalyseur* donné, est de comprendre l’origine de ses propriétés électrocatalytiques (quelle est la phase active ?) et déterminer la stabilité de cette phase dans le temps », détaille Nathaly Ortiz-Pena.

La post-doctorante s’intéresse plus particulièrement aux matériaux utilisés pour l’électrolyse de l’eau. C’est-à-dire qui la séparent en hydrogène et oxygène. Des produits de réaction qui peuvent être ensuite utilisés comme source d’énergie pour des dispositifs tels que les piles à combustible.

Un changement de structure du catalyseur

Dans le cadre de cette publication, les chercheurs ont pu comprendre pour la première fois la relation entre la structure des nanoparticules d’oxyde de cobalt et leur rendement électrocatalytique, en particulier la transformation des nanoparticules de l’état cristallin initial vers un état désordonné. Un changement qui se répercute sur ses propriétés électroniques de surface qui sont à l’origine de son activité catalytique.

Cette compréhension des mécanismes réactionnels a été possible grâce au suivi en temps réel de l’évolution structurale des électrocatalyseurs en conditions de fonctionnement et permettra par la suite d’améliorer leur rendement et stabilité. « Pour le moment, nous en sommes à la partie fondamentale. Mais ces études permettront par exemple de rendre plus efficace les réactions électrocatalytiques utilisées dans les cellules d’électrolyse et également dans les générateurs électrochimiques d’énergie. »

Marion Riegert

* L’électrocatalyseur est un système permettant de diminuer l’énergie électrique nécessaire pour initier une réaction chimique et de réorienter la sélectivité de la réaction vers l’obtention d’un produit spécifique, rendant ainsi la réaction plus efficace et plus favorable énergétiquement.