Une alternative, faible

Oct 27, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9368 (2022) Citer cet article

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La réaction électrochimique de dégagement d'hydrogène (HER) est généralement étudiée dans un système à trois électrodes. Dans ce système, plusieurs contre-électrodes sont couramment utilisées pour garantir une cinétique rapide, notamment le platine, l'or et le carbone vitreux. Cependant, l'application étendue de telles électrodes a soulevé des réserves quant à la contribution des espèces rédox-actives se dissolvant de ces électrodes et se redéposant sur la surface de l'électrode de travail au surpotentiel mesuré. Par conséquent, cela a souvent été confondu avec la signature électrochimique réelle du catalyseur de l’électrode de travail, ce qui a entraîné une augmentation trompeuse du surpotentiel enregistré. Ce problème devient plus critique lorsque les mesures d'électrolyse impliquent une étape d'activation, nécessitant la nécessité de contre-électrodes alternatives stables, en particulier en milieu acide, qui est couramment utilisé comme électrolyte dans les études HER. Ici, alors que nous dévoilons systématiquement de tels problèmes, une contre-électrode alternative qui surmonte ces problèmes est démontrée. Plus précisément, la corrélation entre la zone de l'électrode de travail et celle de la contre-électrode, la vitesse de dissolution de la contre-électrode et la plage de potentiel utilisée dans l'activation/le nettoyage de la surface lors de l'accélération de la vitesse de dissolution est explorée et discutée en détail. Enfin, le treillis Ti commercial est présenté comme une contre-électrode émergente alternative, qui s'avère très stable et pratique pour étudier le HER dans des milieux acides.

Au cours des dernières décennies, l’hydrogène s’est imposé comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles traditionnels. À cet égard, l’électrolyse est le procédé couramment utilisé pour produire de l’hydrogène en grande quantité. Dans ce système, le Pt est l'électrocatalyseur le plus largement utilisé pour la demi-réaction de réduction de l'eau en raison de sa conductivité électrique efficace, de sa résistance mécanique élevée et de son activité catalytique supérieure1. Cependant, son utilisation dans la production à grande échelle a été fortement limitée en raison de son coût élevé. Par conséquent, il existe un besoin croissant de développer des électrocatalyseurs de réaction de dégagement d’hydrogène abondants sur Terre, possédant une activité catalytique comparable à celle du platine tout en étant peu coûteux. Par exemple, des études antérieures ont introduit le carbure de molybdène combiné au rGO, révélant presque la même activité vis-à-vis de la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) du Pt/C2. De plus, les catalyseurs à base de Ni − C ont montré des performances comparables à celles du Pt dans HER3. Néanmoins, près de la moitié des études publiées sur le HER utilisaient du Pt comme contre-électrode sans membrane échangeuse d'ions4,5. Cependant, le Pt n’est pas stable et subit une dissolution chimique/électrochimique au cours du cyclage potentiel4,6,7. Ensuite, les ions Pt dissous se redéposent à la surface de l’électrode de travail, entraînant une augmentation trompeuse du surpotentiel mesuré4,6,7. De plus, même lorsqu’une membrane échangeuse d’ions (Nafion) est utilisée, la dissolution et le dépôt du Pt sur l’électrode de travail ont toujours lieu8. Ces préoccupations ont nécessité la recherche de contre-électrodes alternatives. Par conséquent, des matériaux à base de carbone tels que le carbone vitreux ou la tige de graphite ont été utilisés à la place. Cependant, la question est toujours là ; ces électrodes sont-elles stables ? et sinon, y a-t-il un moyen de s'en sortir ?

Pour résoudre ce problème, nous avons étudié ici la stabilité des contre-électrodes les plus couramment utilisées (Pt, Au et carbone vitreux) pendant le HER en milieu acide. L'effet de la surface relative de l'électrode de travail par rapport à la contre-électrode et de la plage de potentiel utilisée dans l'activation/nettoyage de la surface sur la vitesse de dissolution de la contre-électrode et sa corrélation avec les surpotentiels enregistrés est entièrement abordé et discuté. Enfin, nous démontrons le potentiel du treillis en titane commercial en tant que contre-électrode stable et fonctionnelle pour HER en milieu acide.