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Le mystère de l’eau : pourquoi l’oxydation de l’eau est-elle si cruciale pour l’énergie solaire à l’hydrogène ?
Dans la technologie énergétique moderne, l’oxydation de l’eau devient progressivement un domaine de recherche attrayant. Ce processus génère non seulement de l’oxygène, mais fournit également des électrons et des protons essentiels à la production d’énergie hydrogène. À mesure que la demande en énergie renouvelable augmente, les réactions d’oxydation de l’eau deviennent de plus en plus importantes dans la production d’hydrogène solaire.
L'oxydation de l'eau implique la conversion de l'eau en oxygène et en protons, un processus représenté par la réaction suivante : 2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2.
La recherche sur les catalyseurs d’oxydation de l’eau (WOC) se développe rapidement. Ces catalyseurs peuvent réduire efficacement la barrière énergétique pour l’oxydation de l’eau, rendant l’ensemble du processus plus efficace. Un catalyseur d’oxydation de l’eau idéal doit avoir une vitesse de réaction rapide, une stabilité élevée et un faible coût, et être composé de matériaux sûrs et non toxiques.
Mécanismes et principes énergétiques
L’oxydation de l’eau est plus difficile que l’oxydation de sa base conjuguée, l’hydroxyde. L'hydroxyde est combiné de manière stable avec des cations métalliques, de sorte que certains hydroxydes métalliques peuvent être oxydés pour former des complexes d'oxydes métalliques. Dans ce processus, l’attaque de l’eau sur les oxydes métalliques est un moyen de générer des liaisons oxygène-oxygène. De plus, l’appariement des centres hydroxyles métalliques peut également conduire à la formation de liaisons oxygène-oxygène.
Dans la photosynthèse, les trous électroniques sont des oxydants puissants qui fournissent les conditions de réaction nécessaires. Pour les applications d’appareils, l’oxydant idéal provient des matériaux photovoltaïques.
Catalyse homogène
Complexe de ruthénium
Les complexes d'hydrates à base de ruthénium ont montré d'excellentes performances dans la catalyse d'oxydation de l'eau, et bon nombre de ces catalyseurs contiennent des ligands bipyridine et tripyridine. Cependant, les recherches sur ce catalyseur sont toujours en cours.
Complexe de cobalt et de fer
Bien que les catalyseurs à base de cobalt étaient instables au début, les catalyseurs homogènes actuels, tels que [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2, peuvent fonctionner efficacement grâce au transfert d’électrons couplé aux protons. Les catalyseurs à base de fer présentent également de bonnes performances catalytiques et, dans des conditions appropriées, ils peuvent réaliser efficacement des réactions d'oxydation de l'eau.Complexes de platine
Les catalyseurs au platine ont attiré l'attention en raison de leur réactivité élevée, mais il existe généralement un équilibre entre le taux catalytique et le nombre de rotations. Les dernières recherches révèlent que l’attaque nucléophile de l’eau sur les espèces Ir=O pourrait être la clé de la génération d’O2.
Catalyse hétérogèneEn catalyse hétérogène, il a été démontré que l'oxyde de platine est un catalyseur WOC en vrac stable. Le film d’oxyde à base de nickel peut libérer de l’oxygène dans des conditions proches de la neutralité et présente une stabilité à long terme.
La présence d'un pont di-μ-oxygène entre les cations NiIII/NiIV a été observée par spectroscopie à rayons X, une découverte importante pour comprendre le mécanisme catalytique.
Conclusion
Les catalyseurs et mécanismes impliqués dans les réactions d’oxydation de l’eau jouent un rôle central dans les technologies actuelles d’énergie renouvelable. À mesure que la recherche progresse, nous pourrons peut-être ouvrir la voie au développement durable de l’énergie hydrogène. À l’avenir, comment pouvons-nous parvenir à une catalyse d’oxydation de l’eau plus efficace et plus stable ?
