Nanoparticules Fe/S pour la Production Réversible d'Hydrogène – FeSTEN

The bio-inspired approach implies that we do not aim to precisely mimic the nature, but rather that we build a simple functional model that has some of the characteristics of the natural system without the complex cell machinery. To do so, several severe challenges have to be assessed and considered:
• preparation of nanometric size Fe/S particles (i.e. = 10 nm),
• control of the Fe/S ratio of the material,
• solubility and stability of the nanoparticles in aqueous media,
• reversibility of the catalytic reaction (H+ reduction and H2 oxidation).
The novelty and originality of this approach combines the abundance and cheapness of the raw materials (iron is 2nd most abundant metal and sulfur the 14th most abundant element in the Earth’s crust) to the research of a simple preparation for a Fe/S nanometric material, together with a comprehensive catalytic study of the performance of the designed catalyst.
Another point that will be considered is the reversibility of this reaction. Very few molecular systems are indeed presenting catalytic activity toward dihydrogen oxidation to release protons and electrons. This reaction is crucial in terms of fuel cell activity, since electrons have to be ‘recaptured’ after having been stored in chemical bonds. The systems that will be prepared will be designed to perform both sides of the reaction.
Furthermore it is well known that iron sulfides are an intrinsic and essential part of the biogeochemical sulfur cycle, and have been associated with the ‘iron-sulfur world’ hypothesis for the development of life. This concept proposes that iron sulfides played an extensive role in prebiotic organic synthesis on the early Earth. This project seeks to propose a path to link the chemistry of iron sulfides, notably in term of catalysis, and the microbial respiration based on Fe/S enzyme catalysis.

The results obtained so far showed that Fe3S4 nanoparticles synthesized by the polyol process are very active towards the reduction of protons into dyhydrogen. Bulk electrolysis run in neutral water have been performed, and hydrogen evolution for time lengths up to 5 days with no loss in activity. Overpotential is a bit higher than for other transition metal catalysts, but the stability and the ease of preparation is clearly favored in our system.

We are currently running more stability tests, as well as some experiments with other stoechiometries for the iron/sulfide ratio. Other types of catalysis are also envisaged, such as CO2 reduction or O2 reduction.

Brevet européen EP13305888.3: “Iron sulfide based catalyst for electrolytic water reduction into hydrogen gas“.

Selon les prévisions, la consommation mondiale en énergie est amenée à s'accroître dans les années à venir du fait de l'augmentation de la population et de celle de l'activité économique. Pour répondre à cette demande énergétique tout en maintenant un taux de CO2 atmosphérique bas, il est nécessaire de mettre au point et de développer, à grande échelle, de nouvelles sources d'énergie neutres en carbone. Pour remplir ces critères, l'énergie solaire semble être de loin l'énergie renouvelable la plus exploitable, mais compte tenu du caractère intermittent de l'ensoleillement, cela implique que l’on doit être capable de stocker et de redistribuer cette énergie. Une approche intéressante consiste ainsi à stocker l'énergie solaire sous forme d'énergie chimique via la formation de liaisons chimiques, ce qui est le cas par exemple lors de la photosynthèse. Dans ce contexte, le projet que nous proposons s'inscrit dans l'un des paradigmes d’une « économie fondée sur l’hydrogène », à savoir la préparation de catalyseurs robustes, peu coûteux, fonctionnant de manière réversible pour la production renouvelable de ce gaz. L’idée principale est donc de synthétiser et caractériser des nanoparticules de composition adéquate en Fe/S puis d'étudier les propriétés catalytiques de tels systèmes au moyen de techniques électrochimiques. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation de différentes techniques de synthèse afin d’obtenir les nanoparticules Fe/S désirées (composition, taille, etc..). De plus, la comparaison des propriétés de ces nanoparticules avec des clusters Fe/S moléculaires sera menée de front dans le but de mettre en évidence les différents paramètres qui régissent les propriétés catalytiques de chacun de ces systèmes. Ce projet met en commun les expertises des deux partenaires impliqués au sein de leurs laboratoires respectifs, à savoir la préparation de nanomatériaux et l'électrochimie, pour mettre au point et améliorer des catalyseurs à partir de réactifs simples et peu coûteux.