KNOXVILLE, TN, 23 décembre 2025 /24-7PressRelease/ -- Cette étude présente un catalyseur cœur-coquille ruthenium-carbone conçu par laser qui abaisse considérablement la barrière énergétique pour la production d'hydrogène. Le matériau accélère à la fois la réaction de dégagement d'hydrogène et la réaction d'oxydation de l'hydrazine, permettant de grands rendements en hydrogène à des tensions exceptionnellement basses. Sa configuration optimisée Ru@C-200 présente une cinétique de réaction rapide, une grande durabilité et une dégradation efficace de l'hydrazine toxique. Intégré dans un électrolyseur de séparation de l'hydrazine ou dans une batterie zinc-hydrazine rechargeable, le catalyseur soutient une production d'hydrogène stable tout en purifiant simultanément les flux contaminés contenant de l'hydrazine. Les résultats mettent en lumière une stratégie prometteuse pour combiner la production d'énergie verte avec l'élimination des polluants en utilisant un seul électrocatalyseur multifonctionnel.

L'hydrogène devrait jouer un rôle central dans les futurs systèmes énergétiques neutres en carbone, mais l'électrolyse de l'eau conventionnelle est entravée par la réaction de dégagement d'oxygène, lente et énergivore. Remplacer cette étape par l'oxydation de l'hydrazine réduit significativement la tension nécessaire à la production d'hydrogène, tout en convertissant l'hydrazine – un polluant industriel – en azote inoffensif. Pourtant, les systèmes à hydrogène assistés par l'hydrazine dépendent de catalyseurs capables de conduire à la fois le dégagement d'hydrogène et l'oxydation de l'hydrazine de manière efficace et stable. Atteindre une telle performance nécessite un contrôle précis de la composition du catalyseur, de la structure de l'interface et de la distribution des sites actifs. En raison de ces défis, il est nécessaire de mener des études approfondies sur des catalyseurs bifonctionnels à haute performance pouvant fonctionner avec une faible consommation d'énergie.

Une équipe de recherche de l'Université nationale de Gyeongsang rapporte un catalyseur ruthenium@carbone fabriqué par laser pulsé qui améliore significativement l'efficacité de la production d'hydrogène assistée par l'hydrazine. Publié (DOI : 10.1016/j.esci.2025.100408) dans eScience en septembre 2025, l'étude démontre comment le catalyseur optimisé Ru@C-200 atteint des surtensions ultra-faibles à la fois pour le dégagement d'hydrogène et l'oxydation de l'hydrazine. Les chercheurs ont en outre intégré le catalyseur dans une batterie zinc-hydrazine et un électrolyseur hybride de séparation de l'hydrazine, permettant une production continue d'hydrogène auto-alimentée tout en dégradant simultanément l'hydrazine. Leur travail met en lumière une approche prometteuse pour coupler la génération de carburant propre avec le traitement des déchets.

Les chercheurs ont synthétisé le matériau ruthenium@carbone en utilisant une stratégie d'ablation par laser pulsé dans un liquide qui a produit des nanosphères de Ru uniformes encapsulées dans des coquilles de carbone graphitique. Parmi tous les échantillons, Ru@C-200 a présenté l'équilibre le plus favorable entre conductivité, stabilité structurelle et interfaces métal-carbone couplées électroniquement. Cette conception optimisée a permis une faible surtension de 48 mV pour le dégagement d'hydrogène et seulement 8 mV pour l'oxydation de l'hydrazine à 10 mA cm⁻², surpassant de loin les électrocatalyseurs conventionnels.

Une caractérisation complète – incluant la Microscopie Électronique en Transmission (MET), la Diffraction des Rayons X (DRX), la Spectroscopie Raman (Raman), la Spectroscopie de Photodélectrons X (XPS) et la Structure Fine d'Absorption des Rayons X Étendue (EXAFS) – a confirmé le cœur métallique de Ru de structure cfc et l'ordre accru de la coquille de carbone à des énergies laser plus élevées. Des analyses in situ par Raman et par Structure de Bord d'Absorption des Rayons X (XANES) ont révélé que les sites métalliques de Ru sont responsables du dégagement d'hydrogène, tandis que les espèces RuOOH générées en surface conduisent l'oxydation de l'hydrazine.

Lorsqu'il est testé dans un électrolyseur de séparation de l'hydrazine, une paire Ru@C-200‖Ru@C-200 n'a nécessité que 0,11 V pour atteindre 10 mA cm⁻² et a maintenu sa stabilité pendant plus de 100 heures. L'équipe a en outre démontré une batterie Zn-hydrazine rechargeable capable d'alimenter la production d'hydrogène de manière indépendante. La batterie a atteint 90 % d'efficacité énergétique et est restée stable sur 600 cycles de charge-décharge. Ces résultats soulignent comment les interfaces Ru-C conçues améliorent simultanément l'activité, la sélectivité et la durabilité pour les réactions anodiques et cathodiques.

Selon l'équipe de recherche, le catalyseur Ru@C-200 se distingue par sa combinaison rare de faible consommation d'énergie, de durabilité à long terme et de capacité catalytique bifonctionnelle. L'expert a souligné qu'un fort couplage électronique entre le cœur de ruthenium et la coquille de carbone joue un rôle essentiel dans l'accélération du transfert de charge et l'activation efficace des intermédiaires liés à l'hydrazine et à l'hydrogène. Ils ont noté que cette conception d'interface démontre comment un seul catalyseur multifonctionnel peut répondre au double besoin de réduire les coûts de production d'hydrogène et d'éliminer les polluants dangereux à l'hydrazine, offrant de nouvelles possibilités pour les technologies intégrées d'énergie propre.

Le système catalytique à base de Ru@C offre une voie convaincante pour la production d'hydrogène à des tensions nettement inférieures à celles requises pour l'électrolyse traditionnelle, permettant des économies d'énergie substantielles. Sa capacité à oxyder complètement l'hydrazine tout en générant de l'hydrogène le positionne comme une solution pratique pour les industries qui gèrent des eaux usées riches en hydrazine. Le couplage réussi avec une batterie Zn-hydrazine rechargeable illustre un modèle auto-alimenté dans lequel la production d'hydrogène, le traitement des déchets et le stockage d'énergie se produisent simultanément. Cette approche pourrait accélérer l'adoption d'infrastructures à hydrogène plus sûres et plus efficaces et inspirer de nouvelles technologies assistées par l'hydrazine adaptées à la conversion d'énergie propre et à la remédiation environnementale.

Références
DOI
10.1016/j.esci.2025.100408

URL de la source originale
https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100408

Informations sur le financement
Cette recherche a été soutenue par une subvention de l'Institut des sciences fondamentales de Corée (Centre national des installations et équipements de recherche) financée par le ministère de l'Éducation. (N° 2019R1A6C1010042 et RS-2024-00434932) et le Fonds du projet Glocal University 30 de l'Université nationale de Gyeongsang en 2024. Les auteurs reconnaissent le soutien financier de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF), (2022R1A2C2010686 et 2022R1I1A1A01073299). MU reconnaît le soutien financier du projet de soutien aux chercheurs (N° RSPD2025R682), Université King Saud, Riyad, Arabie Saoudite.

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