Une équipe de scientifiques aux États-Unis a développé une technique permettant d’étudier les processus électrochimiques au niveau atomique avec une résolution sans précédent. Cette innovation a permis de mieux comprendre un matériau catalyseur populaire.
Les réactions électrochimiques, transformations chimiques provoquées ou accompagnées par la circulation de courants électriques, sont à la base de nombreuses technologies telles que les batteries, les piles à combustible, l’électrolyse et la production de combustible solaire. Ils jouent également un rôle crucial dans les processus biologiques comme la photosynthèse et se produisent sous la surface de la Terre lors de la formation et de la dégradation des minerais métalliques.
Une technique pour observer les réactions électrochimiques
Les scientifiques ont développé une cellule, une petite chambre fermée capable de contenir tous les composants d’une réaction électrochimique, qui peut être combinée avec la microscopie électronique à transmission (TEM) pour obtenir des vues précises d’une réaction à l’échelle atomique. Leur dispositif, appelé cellule liquide polymère (API), peuvent être congelés pour arrêter la réaction à des moments précis, permettant ainsi d’observer des changements de composition à chaque étape de réaction avec d’autres outils de caractérisation.
Dans un article publié dans Nature, l’équipe décrit leur cellule et une étude principale utilisant cette technique pour étudier un catalyseur au cuivre qui réduit le dioxyde de carbone pour générer des carburants.
Des observations inédites grâce au PLC
Haimei Zheng, auteur principal et scientifique principal de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a déclaré : « Il s’agit d’une avancée technique très intéressante qui montre que ce que nous ne pouvions pas faire auparavant est désormais possible. La cellule liquide permet de voir en temps réel ce qui se passe à l’interface solide-liquide lors de réactions, phénomènes très complexes. Nous pouvons voir comment les atomes de surface du catalyseur se déplacent et se transforment en différentes structures transitoires lorsqu’ils interagissent avec l’électrolyte liquide lors des réactions électrocatalytiques. »
Qiubo Zhang, co-premier auteur et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng, a ajouté : « Il est très important, lors de la conception d’un catalyseur, de voir comment un catalyseur fonctionne et également comment il se dégrade. Si nous ne savons pas comment cela échoue, nous ne pourrons pas améliorer la conception. Et nous sommes convaincus que nous y parviendrons grâce à cette technologie. »
Zheng et ses collègues sont enthousiastes à l’idée d’utiliser le PLC sur divers autres matériaux électrocatalytiques et ont déjà commencé à enquêter sur les problèmes liés aux batteries au lithium et au zinc. L’équipe est optimiste quant au fait que les détails révélés par la TEM assistée par PLC pourraient conduire à des améliorations dans les technologies alimentées par des processus électrochimiques.
Nouvelles perspectives sur un catalyseur populaire
Les scientifiques ont testé l’approche PLC sur un système de catalyseur en cuivre, un sujet de recherche et de développement intense car il peut transformer les molécules de dioxyde de carbone atmosphérique en produits chimiques carbonés précieux tels que le méthanol, l’éthanol et l’acétone. Cependant, une compréhension plus approfondie des catalyseurs à base de cuivre pour la réduction du CO2 est nécessaire pour concevoir des systèmes durables et produire efficacement un produit carboné souhaité plutôt que indésirable.
L’équipe de Zheng a utilisé les puissants microscopes du Centre national de microscopie électronique, qui fait partie de la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley, pour étudier la région de la réaction appelée interface solide-liquide, où le catalyseur solide transportant un courant électrique rencontre l’électrolyte liquide. Le système catalytique qu’ils ont placé à l’intérieur de la cellule est constitué de cuivre massif avec un électrolyte de bicarbonate de potassium (KHCO3) dans l’eau. La cellule est composée de platine, d’oxyde d’aluminium et d’un film polymère ultra fin de 10 nanomètres.
Découvertes et implications
À l’aide de la microscopie électronique, de la spectroscopie de perte d’énergie électronique et de la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie, les chercheurs ont capturé des images et des données sans précédent révélant des transformations inattendues à l’interface solide-liquide au cours de la réaction. L’équipe a observé des atomes de cuivre quittant la phase métallique cristalline solide et se mélangeant avec des atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène de l’électrolyte et du CO2 pour former un état amorphe fluctuant entre la surface et l’électrolyte, qu’ils ont appelé un « état amorphe fluctuant entre la surface et l’électrolyte ». interphase amorphe » car il n’est ni solide ni liquide. Cette interphase amorphe disparaît à nouveau lorsque le courant cesse de circuler et la plupart des atomes de cuivre retournent dans le réseau solide.
Selon Zhang, la dynamique de l’interphase amorphe pourrait être exploitée à l’avenir pour rendre le catalyseur plus sélectif pour des produits carbonés spécifiques. De plus, la compréhension de l’interphase aidera les scientifiques à lutter contre la dégradation, qui se produit à la surface de tous les catalyseurs au fil du temps, afin de développer des systèmes ayant une durée de vie opérationnelle plus longue.
“ Auparavant, les chercheurs s’appuyaient sur la structure de surface initiale pour concevoir le catalyseur, à la fois pour son efficacité et sa stabilité. La découverte de l’interphase amorphe remet en question notre compréhension antérieure des interfaces solide-liquide, ce qui nous incite à prendre en compte ses effets lors de l’élaboration de stratégies “, a encore dit Qiubo Zhang.
Zhigang Song, co-premier auteur et chercheur postdoctoral à l’Université Harvard, a conclu : « Au cours de la réaction, la structure de l’interphase amorphe change continuellement, ce qui a un impact sur les performances. L’étude de la dynamique de l’interface solide-liquide peut aider à comprendre ces changements, permettant ainsi le développement de stratégies appropriées pour améliorer les performances du catalyseur. »
Légende de l’illustration : l’auteur principal Haimei Zheng, à gauche, et le premier auteur Qiubo Zhang examinent les résultats des mesures obtenues à l’aide de leur nouvelle technologie, combinée à de puissants microscopes du Centre national de microscopie électronique du laboratoire de Berkeley. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
Article : « Dynamique atomique des interfaces solide-liquide électrifiées dans la TEM à cellules liquides » – DOI : 10.1038/s41586-024-07479-w
