L’équipe de recherche des professeurs Xiao Xuezhang et Chen Lixin de l’Université de Zhejiang, en collaboration avec des forces liées de l’Université Sun Yat-sen, a publié ses dernières découvertes intitulées « Polarisation de charge induite par les terres rares dans l’alliage à entropie moyenne pour une production rapide d’hydrogène » dans Advanced Functional Materials. L’équipe a proposé une stratégie de « polarisation de charge induite par les terres rares » pour concevoir des catalyseurs à alliage à entropie moyenne haute performance, permettant une génération efficace d’hydrogène par alcoololyse de l’ammoniac borane (AB) à température ambiante, offrant de nouvelles idées de conception catalytique pour l’application à grande échelle de l’énergie hydrogène. Les doctorants Chu Fei et Wang Jinze sont les co-premiers auteurs de l’article.
Le contexte de la recherche montre que le composé à haut contenu en hydrogène, l’ammoniac borane (NH3BH3, AB), possède une densité de stockage d’hydrogène de 19,6 % en poids et une bonne stabilité environnementale, ce qui en fait un matériau idéal pour le stockage et la production d’hydrogène. La production d’hydrogène par catalyse à partir de l’AB et du méthanol peut se faire à température ambiante sans produire d’ammoniac nuisible, montrant un potentiel comme source d’hydrogène pour les véhicules à pile à combustible. Parmi ces, la déshydrogénation du côté du méthanol est l’étape limitante, nécessitant le développement de catalyseurs hautement actifs et stables pour favoriser la décomposition du méthanol. Les études actuelles utilisent souvent le centre de bande d pour évaluer la capacité d’adsorption des catalyseurs, mais en raison du manque de distinction claire entre les deux étapes d’« adsorption-activation » dans la décomposition du méthanol, la compréhension du mécanisme catalytique est insuffisante, limitant la conception de catalyseurs haute performance.
Pour résoudre ce problème, l’équipe a proposé une stratégie de « polarisation de charge induite par les terres rares », introduisant l’élément de terre rare La, doté d’une forte capacité d’apport électronique, dans le système d’alliage à entropie moyenne CuCoNi (MEA), régulant la distribution de charge entre les atomes, et réalisant un renforcement synergique de l’« adsorption-activation ». L’étude a calculé la charge atomique moyenne du système CuCoNiX-MEA (X=V, Cr, et six autres éléments), sélectionnant La comme le meilleur composant de dopage, formant une différence de charge significative avec Cu/Co/Ni, jetant ainsi les bases de la synergie de l’« adsorption-activation ».
L'équipe a synthétisé des catalyseurs CuCoNiLa-MEA monophasés par réduction carbothermique, et les caractérisations par DRX, MET et autres ont confirmé la réussite de la solution solide des atomes de La, déterminant 690°C comme température de synthèse optimale. Les tests de performance ont montré que la valeur TOF des nanoparticules CuCoNiLa-MEA préparées à cette température atteignait 102 molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹ ; lorsque le rapport de dopage de La était de 0,3, le catalyseur performait le mieux, la valeur TOF augmentant à 147,9 molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹, soit environ 50 % de plus que celle de CuCoNi-MEA. Les études cinétiques ont révélé que son énergie d'activation apparente était aussi faible que 31,3 kJ mol⁻¹, inférieure aux 35,6 kJ mol⁻¹ de CuCoNi, réduisant significativement la barrière cinétique de réaction.
Les études de mécanisme ont révélé qu'après l'introduction de La, une polarisation de charge interatomique significative s'est produite : La présentait une charge positive de +1,124 e, tandis que Cu/Co/Ni présentaient des charges négatives. Le La chargé positivement adsorbe l'atome O du méthanol de manière directionnelle, tandis que les Cu/Co/Ni chargés négativement adsorbent et accélèrent la dissociation des atomes H. Les calculs DFT et les simulations AIMD confirment que l'énergie d'adsorption du méthanol sur les sites La est plus négative, avec une adsorption plus rapide et plus stable. Le couplage synergique de « adsorption-activation » améliore significativement l'efficacité catalytique. Cette étude fournit une stratégie novatrice pour la conception de catalyseurs de production d'hydrogène haute performance et à faible coût, ce qui est d'une grande importance pour le développement durable de l'énergie hydrogène.
