Des chercheurs ont découvert pour la première fois que le même nanocatalyseur d'argent (Ag) peut opérer à différents sites de réaction selon qu'une cellule à oxyde solide produit de l'électricité ou génère de l'hydrogène. Cette découverte pointe vers une nouvelle façon de concevoir ces dispositifs énergétiques de nouvelle génération pour de meilleures performances - car pourquoi se contenter d'un seul tour de catalyse quand on peut en avoir deux ?

Les travaux ont été dirigés par les professeurs WooChul Jung et Jeong Woo Han du département de science et génie des matériaux de l'Université nationale de Séoul (SNU), avec l'équipe du professeur Sang Ouk Kim de KAIST et l'équipe du Dr Beomgyun Jeong de l'Institut de science fondamentale de Corée (KBSI). Leurs résultats clarifient comment les nanocatalyseurs d'argent améliorent les performances des cellules à oxyde solide et montrent que l'emplacement et le mécanisme des réactions d'oxygène changent selon la façon dont la cellule est utilisée - un peu comme un couteau suisse qui décide de devenir une cuillère seulement quand vous mangez de la soupe.

Les cellules à oxyde solide déplacent des ions d'oxygène à travers un matériau solide pour remplir deux fonctions différentes : elles peuvent générer de l'électricité, ou elles peuvent diviser l'eau pour produire de l'hydrogène. En raison de cette polyvalence, la technologie est considérée comme une option importante pour étendre l'énergie propre et l'utilisation de l'hydrogène. Les applications potentielles vont des systèmes distribués de cogénération dans les bâtiments et les usines qui génèrent de l'électricité tout en utilisant la chaleur à haute température produite pendant le fonctionnement, à la production d'hydrogène vert basée sur les énergies renouvelables. Les résultats ont été publiés dans la revue de renommée mondiale Energy & Environmental Science et ont été sélectionnés comme article de couverture arrière, soulignant leur importance - car apparemment, être sur la couverture arrière est l'équivalent scientifique d'une standing ovation.

Localiser où les catalyseurs font leur travail

Les performances et la durabilité des cellules à oxyde solide dépendent fortement de la rapidité avec laquelle les réactions d'oxygène se produisent à l'électrode à air. Mais les électrodes réelles ont des structures compliquées, ce qui rend difficile pour les chercheurs de déterminer exactement où les nanocatalyseurs participent à ces réactions et comment ils améliorent les performances. Des recherches antérieures avaient déjà montré que les nanocatalyseurs métalliques peuvent améliorer le fonctionnement de ces cellules. Ce qui restait flou, c'était de savoir si la majeure partie de l'activité catalytique se produit directement sur la surface du catalyseur ou à la frontière où le catalyseur touche l'électrode. Les chercheurs ne savaient pas non plus si le même mécanisme catalytique était responsable à la fois de la génération d'électricité et de la production d'hydrogène.

Pour étudier ces questions, l'équipe a créé une électrode modèle avec une structure et une composition soigneusement contrôlées au lieu de s'appuyer sur l'architecture beaucoup plus compliquée des électrodes conventionnelles. Des nanoparticules métalliques avec des tailles et un espacement uniformes ont été disposées dans des motifs ordonnés, permettant aux chercheurs d'examiner leurs rôles catalytiques beaucoup plus précisément. Les scientifiques ont d'abord comparé plusieurs nanocatalyseurs métalliques, y compris l'argent, le cobalt, le palladium et le platine. Chacun a été déposé sur une électrode d'oxyde pérovskite en couche mince et testé pour sa capacité à accélérer les réactions d'oxygène. L'argent a produit la plus forte amélioration catalytique parmi les métaux testés - et ça, c'est pour le platine.

Les chercheurs ont ensuite modifié la taille et la disposition des nanoparticules d'argent pour déterminer où se déroulaient les réactions les plus importantes. Pendant la réaction de réduction de l'oxygène (génération d'électricité), les taux de réaction augmentaient à mesure que la longueur de la frontière entre les nanoparticules d'argent et l'électrode augmentait. Cela a montré que l'interface entre l'argent et l'électrode est le principal site de réaction lorsque la cellule génère de l'électricité. La situation a changé pendant la réaction d'évolution de l'oxygène (production d'hydrogène). Dans ce mode, les taux de réaction augmentaient avec la surface des nanoparticules d'argent. Ce résultat a montré que la surface des particules d'argent elles-mêmes devient le principal site de réaction pendant la production d'hydrogène.