Quand les ions partent en randonnée : nouvelles perspectives sur la cinétique de solvatation aux surfaces des électrocatalyseurs
Crucial pour le développement de batteries et d'électrolyseurs plus efficaces, ou pour lutter contre la corrosion
Le département de la science des interfaces de l'Institut Fritz-Haber a fait de nouveaux progrès dans l'exploration de la cinétique de solvatation dynamique sur les surfaces des électrocatalyseurs, comme le montre un article paru dans la revue Nature Communications. Entre autres réactions, les chercheurs se sont concentrés sur la cinétique de solvatation des ions lors de l'évolution de l'hydrogène vert et de l'oxydation de l'ammoniac vert, deux produits chimiques clés dans les transitions énergétiques vertes. Ces résultats sont importants parce qu'ils nous aident à mieux comprendre les chemins que les ions de l'électrolyte empruntent pour atteindre les surfaces solides. Connaître les vallées et les montagnes ainsi que le nombre de pistes que l'ion rencontre est crucial pour développer des batteries et des électrolyseurs plus efficaces ou pour lutter contre la corrosion. Imaginez que nous puissions suivre et même contrôler le parcours de l'ion pour créer des sources d'énergie plus écologiques, plus durables et plus puissantes : ces nouvelles connaissances nous rapprochent de cet objectif.
La trajectoire de l'ion est fortement influencée par un processus omniprésent en biochimie et en électrochimie : les ions doivent réorganiser leur enveloppe de solvatation avant de pouvoir s'intercaler dans les cathodes des batteries, pénétrer dans les canaux ioniques à travers les membranes biochimiques ou s'adsorber et se convertir en produits chimiques, tels que l'hydrogène vert, sur les surfaces des électrocatalyseurs.
L'équipe a précédemment découvert que la cinétique de la solvatation interfaciale des ions est régie par des effets dits de compensation entre l'entropie et l'enthalpie d'activation. En d'autres termes, plus l'altitude de la montagne devant l'ion est élevée, plus le nombre de sentiers de randonnée disponibles augmente, ce qui rend la randonnée plus probable pour l'ion. Pour parvenir à ces conclusions, l'équipe a interprété la cinétique conformément à la physique statistique et à l'équation d'Eyring-Evans-Polanyi, la pièce maîtresse de la théorie des états de transition de 1935, développée par Michael Polanyi, chef du département de chimie physique de l'Institut de cardiologie de Francfort jusqu'en 1933.
Aujourd'hui, près de 90 ans plus tard, les chercheurs du département de science des interfaces sont en mesure de tracer les deux paramètres clés de la théorie des états de transition, l'enthalpie d'activation et l'entropie d'activation, avec une résolution temporelle de l'ordre de la milliseconde. "Nos résultats sont vraiment importants à plusieurs niveaux fondamentaux", déclare Francisco Sarabia, premier auteur de l'étude et titulaire d'une bourse postdoctorale Marie Curie. "Grâce à cette technique, nous pouvons accéder directement à la cinétique d'électrosorption des ions hydroxyde qui se produit au niveau de motifs structurels spécifiques de la surface, par exemple des arêtes en escalier ou des défauts, et montrer comment ils sont liés à la cinétique de l'électrocatalyseur. En outre, nous avons étudié le comportement dynamique d'empoisonnement de la surface de Pt pendant la réaction d'oxydation de l'ammoniac et son impact sur la cinétique de solvatation. Ce niveau de compréhension est resté complètement caché jusqu'à présent".
Dans l'ensemble, ces travaux confirment l'idée que les changements d'entropie d'activation à la surface du catalyseur et dans le solvant interfacial sont essentiels pour comprendre l'activité de l'électrocatalyseur. Par exemple, l'équipe a découvert que le pH peut avoir un impact direct sur l'entropie d'activation et induire des changements d'activité non nernstiens en fonction du pH. Actuellement, on suppose généralement que l'énergie d'activation joue le rôle principal dans la dépendance du biais des réactions électrocatalytiques.
Sebastian Öner, chef de groupe au département de la science des interfaces et auteur correspondant de l'étude, souligne l'importance de ces résultats. "D'abondantes preuves de spectroscopie et de microscopie operando, y compris de la part de mes collègues des départements de chimie inorganique et de science des interfaces, montrent que les surfaces des catalyseurs sont très dynamiques. Au-delà de l'étude de la cinétique de solvatation, nous disposons désormais d'un outil que nous pouvons utiliser pour capturer de véritables informations cinétiques en temps réel et les superposer à des informations spectroscopiques et microscopiques".
Les recherches de l'équipe soulignent l'importance des changements dépendant du biais dans l'environnement local des catalyseurs, montrant comment la structure solide et l'électrolyte liquide sont étroitement interconnectés et peuvent s'influencer l'un l'autre. Cette compréhension globale est cruciale pour développer des catalyseurs dont l'activité, la sélectivité et la stabilité sont améliorées.
Le département de science des interfaces, dirigé par le professeur Beatriz Roldán Cuenya, s'est engagé à poursuivre l'exploration de ces connaissances, avec le potentiel d'avoir un impact significatif sur les domaines de l'énergie et de la technologie de conversion chimique.
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.
