Une équipe de recherche de l'Université nationale de Gyeongsang a développé un catalyseur ruthénium@carbone fabriqué par laser pulsé qui améliore significativement l'efficacité de la production d'hydrogène assistée par l'hydrazine. Publiée dans eScience en septembre 2025, l'étude démontre comment le catalyseur optimisé Ru@C-200 atteint des surpotentiels ultra-faibles à la fois pour l'évolution de l'hydrogène et l'oxydation de l'hydrazine, permettant de grandes productions d'hydrogène à des tensions exceptionnellement basses tout en dégradant simultanément l'hydrazine toxique.
Les chercheurs ont synthétisé le matériau ruthénium@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, le 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 un faible surpotentiel de 48 mV pour l'évolution de l'hydrogène et seulement 8 mV pour l'oxydation de l'hydrazine à 10 mA cm⁻², surpassant largement les électrocatalyseurs conventionnels.
Une caractérisation complète a confirmé le cœur métallique de Ru de structure cfc et l'ordre accru de la coquille de carbone aux énergies laser plus élevées. Des analyses in situ ont révélé que les sites métalliques de Ru sont responsables de l'évolution de l'hydrogène, tandis que les espèces RuOOH générées en surface entraînent l'oxydation de l'hydrazine. L'étude complète est disponible à l'adresse https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100408.
Lorsqu'il a été 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 autonome. 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 énergétique, de durabilité à long terme et de capacité catalytique bifonctionnelle. Le fort couplage électronique entre le cœur de ruthénium 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. 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.
Le système catalytique basé sur 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 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 dépollution environnementale. 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, transformant potentiellement la manière dont les industries abordent à la fois la production d'énergie et la gestion des eaux usées.
