Transformations microscopiques des surfaces des électrocatalyseurs
Des chercheurs révèlent la désorganisation des surfaces de cuivre au cours de la catalyse
Le développement de technologies permettant de convertir leCO2 en carburants synthétiques et en produits chimiques de base est d'une importance capitale pour atteindre les objectifs climatiques. La réduction électrochimique duCO2 sur des électrodes de cuivre permet de le faire directement avec de l'énergie électrique provenant de sources renouvelables, qui pourrait être utilisée pour la production d'e-carburants. De nouvelles études montrent que ce processus modifie l'arrangement des atomes de cuivre à la surface du catalyseur.
Le cuivre est un matériau catalytique indispensable pour la réduction duCO2, en particulier pour la synthèse de produits chimiques et de carburants précieux, tels que l'éthanol. Pour ce faire, il est très favorable que les atomes de cuivre à la surface aient un arrangement fortement désordonné. Ce dernier peut être obtenu, par exemple, en pré-oxydant la surface du cuivre ou en l'alliant. Dans une étude conjointe de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'université de Kiel et du département de la science des interfaces de l'Institut Fritz Haber (FHI) de la société Max Planck (MPG), il s'est avéré que de telles structures désordonnées se formaient aussi spontanément dans les toutes premières étapes de la réaction de réduction électrocatalytique duCO2. Les chercheurs ont observé que les atomes de cuivre à l'intérieur du métal se déplaçaient vers la surface et s'assemblaient en un groupe autonome de quelques atomes seulement. Cette transformation du métal a été provoquée par le CO, un produit intermédiaire de la réaction, et a été conservée même à des vitesses de réaction élevées. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la célèbre revue scientifique Nature Catalysis.
"Comme la réduction électrocatalytique duCO2 se produit sur des métaux dans une solution aqueuse de carbonate semblable à de l'eau minérale, et qu'elle s'accompagne de la formation d'hydrogène gazeux, il est difficile d'étudier en détail le processus à l'échelle atomique", explique Olaf Magnussen, professeur de physique de l'état solide à l'université de Kiel.
Les chercheurs ont donc utilisé une combinaison de méthodes qui peuvent être employées même dans ces conditions difficiles. L'équipe de Kiel a observé la transformation de la surface du cuivre directement par microscopie électrochimique à effet tunnel à haute résolution. Cette méthode permet d'obtenir une image directe des atomes et des molécules à la surface. Des études de diffraction des rayons X, réalisées par des scientifiques de Kiel et de Berlin au synchrotron PETRA III de DESY à Hambourg, ont confirmé cette transformation. En outre, ces mesures ont montré qu'à des vitesses de réaction élevées, les atomes de cuivre autonomes étaient maintenus, mais qu'aucune autre formation ne se produisait. La spectroscopie moléculaire à l'Institut Fritz Haber a finalement indiqué que les changements étaient induits par le CO formé.
"Les résultats suggèrent une transformation radicale de la surface de l'électrode chaque fois que le potentiel électrique nécessaire à la réduction duCO2 est activé. Ce phénomène, inconnu jusqu'à présent, pourrait jouer un rôle important dans la catalyse", explique le professeur Beatriz Roldán Cuenya, directrice du département de la science des interfaces à l'institut FHI. Une stratégie pour influencer la structure du catalyseur et donc le type de composés chimiques formés consiste à faire fonctionner l'électrode avec des impulsions de tension. Cela avait d'ailleurs déjà été démontré dans des travaux antérieurs de l'équipe de recherche. Cependant, le cuivre était périodiquement oxydé au moyen de l'énergie électrique, ce qui nécessite l'inversion de la polarité de l'électrode. Selon les nouveaux résultats, des effets similaires pourraient déjà être obtenus par une simple commutation du courant. "Dans l'ensemble, l'étude confirme notre hypothèse selon laquelle non seulement le matériau de l'électrode, mais aussi les conditions de fonctionnement et le micro-environnement sont importants pour la réalisation de cette technologie respectueuse de l'environnement", déclare l'équipe.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités de l’industrie chimique
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée à l'industrie chimique, aux méthodes analytiques, aux laboratoires et à la technologie des processus vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
