Étude des terminaisons de surface des MXenes in situ pour la synthèse d'hydrogène vert

L’hydrogène créé par électrolyse de l’eau en utilisant l’électricité renouvelable est appelé « hydrogène vert ». C’est un carburant renouvelable qui pourrait être utilisé pour emmagasiner l’énergie produite par des sources d’électricité intermittentes comme le solaire ou l’éolien ou comme carburant dans des modes de transport lourd (camion, bateau) pour lesquels il est plus difficile d’utiliser des batteries. De plus, l’hydrogène est utilisé dans l’industrie mais provient presque exclusivement du gaz naturel, le développement de l’hydrogène vert pourrait donc aider à décarboner l’industrie chimique.
Grâce à ses larges réserves d’eau et d’électricité renouvelable, le Québec est bien placé pour devenir un leader dans le domaine de l’hydrogène vert. Le plus grand électrolyseur pour l’hydrogène vert se trouve à Bécancour (20 MW) et Hydro Québec va ouvrir un des plus grands au monde dans le futur (88 MW) pour fournir une usine de biocarburant à partir de déchets enfouissables.

Les électrocatalyseurs sont la clé pour obtenir des produits chimiques utiles à partir d’électricité à grande échelle puisqu’ils diminuent la quantité d’énergie nécessaire pour produire de l’hydrogène et accélèrent grandement la réaction. Les catalyseurs les plus performants pour la synthèse de l’hydrogène sont des métaux rares et précieux comme le platine. Ainsi, si nous voulons permettre l’utilisation de l’hydrogène vert à grande échelle, nous devons trouver des catalyseurs aussi efficaces que le platine qui contiennent uniquement des éléments abondants et peu coûteux.

Au cours de ce projet, nous étudierons une famille de nanomatériaux 2D contenant uniquement métaux de transition (titane, molybdène) et carbone, appelé « MXènes », découverts il y a 10 ans. Certains MXènes de titane et de molybdène sont de bons catalyseurs pour l’évolution de l’hydrogène mais ils ne peuvent encore rivaliser avec le platine.

La performance des catalyseurs en MXène est très affectée par le type de groupements chimiques qui se trouvent à la surface du matériau. Nous devons comprendre et contrôler la chimie à la surface des MXènes pour pouvoir fabriquer les meilleurs catalyseurs possibles. Au cours de ce projet, nous allons utiliser une technique d’analyse avancée, la spectroscopie Raman augmentée par les pointes (SERS) in situ pour comprendre comment la chimie à la surface des MXènes change durant la catalyse et pour pouvoir contrôler quels groupements chimiques sont présents sur le catalyseur.

En plus de renforcer la capacité de recherche et la formation de la relève en électrochimie et dans le domaine de l’analyse in situ appliquée aux matériaux pour l’énergie, ce projet va fournir des informations importantes pour la conception de meilleurs catalyseurs qui seront plus compétitifs économiquement que ceux à base de platine et qui permettront un déploiement de l’hydrogène vert à grande échelle industrielle.