Afin de produire de l’hydrogène vert, l’eau peut être fractionnée par électrocatalyse, alimentée par des sources renouvelables telles que le soleil ou le vent. Un article de synthèse dans la revue Angewandte Chemie Int. Éd. montre comment les sources de rayons X modernes telles que BESSY II peuvent faire progresser le développement d’électrocatalyseurs appropriés. En particulier, la spectroscopie d’absorption des rayons X peut être utilisée pour déterminer les états actifs de matériaux catalytiquement actifs pour la réaction de dégagement d’oxygène. Il s’agit d’une contribution importante au développement de catalyseurs efficaces à partir d’éléments peu coûteux et largement disponibles.
L’hydrogène vert est un vecteur énergétique d’avenir. Il est obtenu en divisant électrolytiquement l’eau avec l’énergie du vent ou du soleil et stocke cette énergie sous forme chimique. Pour faciliter la séparation des molécules d’eau (et réduire l’apport d’énergie), les électrodes sont recouvertes de matériaux catalytiquement actifs. Dr Marcel Risch et son groupe de jeunes chercheurs Ingénierie des mécanismes d’évolution de l’oxygène étudient le dégagement d’oxygène dans l’électrocatalyse de l’eau. En effet, le dégagement d’oxygène en particulier doit fonctionner plus efficacement pour une production économique d’hydrogène.
Une classe de matériaux passionnante
Une classe passionnante de matériaux pour les électrocatalyseurs sont les oxydes de manganèse, qui se présentent dans de nombreuses variantes structurelles différentes. “Un critère décisif pour l’adéquation en tant qu’électrocatalyseur est le degré d’oxydation du matériau et son évolution au cours de la réaction”, explique Risch. Dans le cas des oxydes de manganèse, il existe également une grande diversité d’états d’oxydation possibles. La spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) fournit des informations sur les états d’oxydation : les quanta de rayons X avec une énergie appropriée excitent les électrons sur les couches les plus internes, qui absorbent ces quanta. Selon le nombre d’oxydation, cette absorption peut être observée à différentes énergies d’excitation. L’équipe de Risch a construit une cellule d’électrolyse qui permet des mesures XAS pendant l’électrolyse.
Spectroscopie d’absorption des rayons X
“Avec la spectroscopie d’absorption des rayons X, nous pouvons non seulement déterminer les nombres d’oxydation, mais aussi observer les processus de corrosion ou les changements de phase dans le matériau”, explique Risch. Combinées à des mesures électrochimiques, les données de mesure permettent ainsi une bien meilleure compréhension du matériau lors de l’électrocatalyse. Cependant, la haute intensité requise des rayons X n’est disponible qu’avec les sources lumineuses synchrotron modernes. A Berlin, HZB exploite BESSY II à cet effet. Il existe environ 50 sources lumineuses de ce type pour la recherche dans le monde.
Échelles de temps du court au long
Risch voit encore un grand potentiel pour l’application de la spectroscopie d’absorption des rayons X, en particulier en ce qui concerne les échelles de temps d’observation. En effet, les temps de mesure typiques sont de quelques minutes par mesure. Les réactions électrocatalytiques, cependant, ont lieu sur des échelles de temps plus courtes. “Si nous pouvions observer l’électrocatalyse en temps réel, nous pourrions mieux comprendre les détails importants”, déclare Risch. Grâce à ces connaissances, des catalyseurs bon marché et respectueux de l’environnement pourraient être développés plus rapidement. D’autre part, de nombreux processus de “vieillissement” se déroulent en quelques semaines ou mois. “Nous pourrions, par exemple, examiner le même échantillon encore et encore à intervalles réguliers pour comprendre ces processus”, conseille Risch. Cela permettrait également de développer des électrocatalyseurs stables à long terme.
