Résoudre l'affaire du platine disparu
Depuis près de vingt ans, les scientifiques tentent de comprendre comment les électrodes de platine polarisées négativement se corrodent, un mystère coûteux qui affecte les électrolyseurs d'eau, une technologie énergétique prometteuse pour la production d'hydrogène, ainsi que les capteurs électrochimiques utilisant des électrodes de platine.
Visualisation en vue de dessus d'une surface de platine pendant la corrosion de la cathode. Les atomes de platine et d'hydrogène sont représentés respectivement en noir et en blanc. Les triangles bleus et violets indiquent les endroits où les atomes d'hydrogène ont été liés aux atomes de platine.
Selwyn Hanselman/Leiden University
Aujourd'hui, une étroite collaboration entre des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'énergie et de l'université de Leyde a finalement permis d'identifier le coupable, ouvrant potentiellement la voie à une production d'énergie hydrogène moins coûteuse et à des capteurs électrochimiques plus fiables.
Les électrolyseurs et de nombreux autres dispositifs électrochimiques reposent souvent sur des électrodes de platine polarisées négativement et immergées dans un électrolyte - essentiellement de l'eau salée. Il s'agit d'une option coûteuse mais durable et généralement stable, "mais le fait d'être stable ne signifie pas qu'il ne se dégrade pas", explique Dimosthenis Sokaras, scientifique principal au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) et chercheur principal de l'équipe du SLAC.
Pour la plupart des métaux, la polarisation négative protège de la corrosion. Mais les électrodes en platine peuvent se décomposer rapidement dans ces conditions, une bizarrerie qui a laissé les scientifiques perplexes.
"Si vous prenez un morceau de platine et que vous appliquez un potentiel très négatif, vous pouvez dissoudre votre platine en quelques minutes", explique Marc Koper, professeur de catalyse et de chimie des surfaces à l'université de Leyde et chercheur principal de l'équipe de Leyde.
Deux grandes théories ont tenté d'expliquer ce processus. Certains scientifiques pensaient que les ions sodium de la solution électrolytique étaient à blâmer. Selon eux, ces ions s'infiltreraient dans le réseau atomique du platine et formeraient des platinides - des atomes de platine transportant des ions sodium chargés positivement - qui se détacheraient. D'autres ont suggéré un processus similaire, mais ont pointé du doigt les ions sodium et hydrogène - c'est-à-dire les protons - qui travaillent ensemble pour produire des hydrures de platine.
L'équipe de recherche savait qu'elle devrait observer d'une manière ou d'une autre le platine pendant qu'il se corrode dans un électrolyte tout en produisant beaucoup d'hydrogène. Pour ce faire, l'équipe s'est tournée vers le SSRL, où des chercheurs ont mis au point des techniques de spectroscopie de rayons X à haute résolution énergétique capables de pénétrer l'électrolyte et de filtrer les autres effets, ce qui a permis aux chercheurs de se concentrer sur les changements subtils de l'électrode de platine in operando, c'est-à-dire en cours de fonctionnement.
"La spectroscopie d'absorption des rayons X à haute résolution énergétique est la seule technique que nous ayons trouvée qui puisse s'adapter aux conditions expérimentales", a déclaré Thom Hersbach, scientifique au SLAC.
En outre, l'équipe a mis au point une "cellule d'écoulement" spéciale, a expliqué M. Sokaras, qui permet d'éliminer les bulles d'hydrogène qui se forment pendant le fonctionnement de l'électrode et qui interfèrent avec l'expérience aux rayons X.
Grâce à ces capacités, l'équipe a pu observer pour la première fois la corrosion active du platine, en enregistrant des spectres de rayons X à partir de la surface de l'électrode polarisée négativement.
Avant de réaliser l'expérience, les chercheurs avaient l'intuition que les hydrures étaient responsables de la corrosion, mais il leur a fallu plusieurs années d'analyse des données avant de pouvoir prouver cette hypothèse.
"Il a fallu des tas et des tas d'itérations différentes pour essayer de comprendre comment capturer avec précision ce qui se passait". explique M. Hersbach.
À l'aide de modèles informatiques des hydrures de platine et des platinides, les chercheurs ont simulé les spectres qu'ils s'attendaient à observer pour chaque structure sous le faisceau de rayons X du SSRL. La comparaison des nombreux spectres simulés avec les résultats de leur expérience a confirmé que seul l'hydrure de platine pouvait produire ces résultats. "En repoussant les limites de la science des rayons X, le SSRL a mis au point des méthodes operando qui, combinées aux superordinateurs modernes, nous permettent désormais de nous attaquer à des questions scientifiques vieilles de plusieurs décennies", a déclaré M. Sokaras.
Les découvertes de l'équipe peuvent désormais être utilisées pour mettre au point des solutions à la corrosion du platine dans les électrolyseurs et de nombreux autres dispositifs électrochimiques. Selon M. Koper, ce projet "montre à quel point il est important, dans le domaine scientifique, de réunir un grand nombre de compétences".
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
Thomas J. P. Hersbach, Angel T. Garcia-Esparza, Selwyn Hanselman, Oscar A. Paredes Mellone, Thijs Hoogenboom, Ian T. McCrum, Dimitra Anastasiadou, Jeremy T. Feaster, Thomas F. Jaramillo, John Vinson, Thomas Kroll, Amanda C. Garcia, Petr Krtil, Dimosthenis Sokaras, Marc T. M. Koper; "Platinum hydride formation during cathodic corrosion in aqueous solutions"; Nature Materials, 2025-1-22
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