Ce schéma illustre le nouveau procédé d'amélioration des vitesses de réaction dans un procédé électrocatalytique. La couche de catalyseur, en or ou en platine, est représentée par des sphères grises en bas, et le matériau à catalyser est représenté par des sphères rad en haut. L'ajout d'une couche de liquide ionique entre les deux, représentée par les réseaux hexagonaux, peut multiplier par cinq les taux de réaction. À gauche, un détail de la façon dont l'oxygène (rouge) et l'hydrogène (vert) peuvent se combiner pour former de l'eau à un rythme accru grâce à ce processus. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs, édité par MIT News
Rendre les surfaces catalytiques plus actives pour aider à décarboniser les carburants et les produits chimiques
Une nouvelle approche augmente l'efficacité des réactions chimiques essentielles à de nombreux procédés industriels.
Les réactions électrochimiques accélérées à l'aide de catalyseurs sont au cœur de nombreux processus de fabrication et d'utilisation de carburants, de produits chimiques et de matériaux, notamment le stockage de l'électricité provenant de sources d'énergie renouvelables dans des liaisons chimiques, une capacité importante de décarbonisation des carburants de transport. Maintenant, la recherche à MIT pourrait ouvrir la voie à des moyens de rendre certains catalyseurs plus actifs, et donc d'augmenter l'efficacité de tels procédés.
Un nouveau processus de production a produit des catalyseurs qui ont quintuplé l'efficacité des réactions chimiques, permettant potentiellement de nouveaux processus utiles en biochimie, chimie organique, chimie environnementale et électrochimie. Les résultats sont décrits dans la revue Catalyse de la nature, dans un article de Yang Shao-Horn, professeur de génie mécanique et de science et génie des matériaux au MIT, et membre du Research Lab of Electronics (RLE); Tao Wang, postdoctorant en RLE ; Yirui Zhang, étudiant diplômé au Département de génie mécanique; et cinq autres.
Le processus consiste à ajouter une couche de ce qu'on appelle un liquide ionique entre un catalyseur d'or ou de platine et une matière première chimique. Les catalyseurs produits avec cette méthode pourraient potentiellement permettre une conversion beaucoup plus efficace du carburant hydrogène en dispositifs électriques tels que les piles à combustible, ou une conversion plus efficace du dioxyde de carbone en carburants.
"Il est urgent de décarboniser la façon dont nous alimentons les transports au-delà des véhicules légers, comment nous fabriquons des carburants et comment nous fabriquons des matériaux et des produits chimiques", déclare Shao-Horn, soulignant l'appel pressant à réduire les émissions de carbone mis en évidence dans le dernier rapport du GIEC. rapport sur le changement climatique. Cette nouvelle approche pour améliorer l'activité catalytique pourrait constituer un pas important dans cette direction, dit-elle.
L'utilisation d'hydrogène dans des dispositifs électrochimiques tels que les piles à combustible est une approche prometteuse pour décarboniser des domaines tels que l'aviation et les véhicules lourds, et le nouveau procédé peut aider à rendre ces utilisations pratiques. A l'heure actuelle, la réaction de réduction d'oxygène qui alimente de telles piles à combustible est limitée par son inefficacité. Les tentatives précédentes pour améliorer cette efficacité se sont concentrées sur le choix de différents matériaux catalytiques ou sur la modification de leurs compositions de surface et de leur structure.
Dans cette recherche, cependant, au lieu de modifier les surfaces solides, l'équipe a ajouté une fine couche entre le catalyseur et l'électrolyte, le matériau actif qui participe à la réaction chimique. La couche de liquide ionique, ont-ils découvert, régule l'activité des protons qui contribuent à augmenter la vitesse des réactions chimiques se produisant à l'interface.
Parce qu'il existe une grande variété de ces liquides ioniques parmi lesquels choisir, il est possible de «régler» l'activité des protons et les taux de réaction pour correspondre à l'énergétique nécessaire aux processus impliquant le transfert de protons, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des carburants et des produits chimiques par des réactions avec l'oxygène. .
"L'activité protonique et la barrière pour le transfert de proton sont régies par la couche de liquide ionique, et il y a donc une grande adaptabilité en termes d'activité catalytique pour les réactions impliquant le transfert de protons et d'électrons", explique Shao-Horn. Et l'effet est produit par une couche de liquide extrêmement mince, d'à peine quelques nanomètres d'épaisseur, au-dessus de laquelle se trouve une couche beaucoup plus épaisse du liquide qui doit subir la réaction.
"Je pense que ce concept est nouveau et important", déclare Wang, le premier auteur de l'article, "parce que les gens savent que l'activité des protons est importante dans de nombreuses réactions électrochimiques, mais c'est très difficile à étudier." En effet, dans un environnement aquatique, il y a tellement d'interactions entre les molécules d'eau voisines impliquées qu'il est très difficile de séparer les réactions qui se produisent. En utilisant un liquide ionique, dont les ions ne peuvent former chacun qu'une seule liaison avec le matériau intermédiaire, il est devenu possible d'étudier en détail les réactions, grâce à la spectroscopie infrarouge.
En conséquence, dit Wang, « notre découverte met en évidence le rôle critique que les électrolytes interfaciaux, en particulier la liaison hydrogène intermoléculaire, peuvent jouer dans l'amélioration de l'activité du processus électrocatalytique. Il fournit également des informations fondamentales sur les mécanismes de transfert de protons au niveau de la mécanique quantique, ce qui peut repousser les frontières de la connaissance de l'interaction des protons et des électrons aux interfaces catalytiques.
"Le travail est également passionnant car il donne aux gens un principe de conception sur la façon dont ils peuvent régler les catalyseurs", explique Zhang. "Nous avons besoin de certaines espèces juste à un 'sweet spot' - pas trop actif ou trop inerte - pour améliorer le taux de réaction."
Avec certaines de ces techniques, explique Reshma Rao, récemment diplômée d'un doctorat du MIT et maintenant post-doctorante à l'Imperial College de Londres, qui est également co-auteur de l'article, « nous constatons une augmentation de l'activité jusqu'à cinq fois. Je pense que la partie la plus excitante de cette recherche est la façon dont elle ouvre une toute nouvelle dimension dans notre façon de penser à la catalyse. Le domaine s'était heurté à "une sorte de barrage routier", dit-elle, pour trouver des moyens de concevoir de meilleurs matériaux. En se concentrant sur la couche liquide plutôt que sur la surface du matériau, "c'est une toute autre façon d'aborder ce problème, et cela ouvre une toute nouvelle dimension, un tout nouvel axe le long duquel nous pouvons changer les choses et optimiser certaines ces taux de réaction.
Référence : « Améliorer l'électrocatalyse de la réduction de l'oxygène en réglant les liaisons hydrogène interfaciales » par Tao Wang, Yirui Zhang, Botao Huang, Bin Cai, Reshma R. Rao, Livia Giordano, Shi-Gang Sun et Yang Shao-Horn, 6 septembre 2021, Catalyse de la nature.
DOI: 10.1038/s41929-021-00668-0
L'équipe comprenait également Botao Huang, Bin Cai et Livia Giordano du Laboratoire de recherche en électronique du MIT, et Shi-Gang Sun de l'Université de Xiamen en Chine. Le travail a été soutenu par le Toyota Research Institute et a utilisé l'environnement scientifique et technique extrême de la National Science Foundation.
