(Phys.org) — L'hydrogène est un carburant « vert » qui brûle proprement et peut générer de l'électricité via des piles à combustible. Une façon de produire de l'hydrogène de manière durable consiste à diviser les molécules d'eau en utilisant l'énergie renouvelable de la lumière du soleil, mais les scientifiques apprennent encore à contrôler et à optimiser cette réaction avec des catalyseurs. À la source lumineuse nationale du synchrotron, un groupe de recherche a déterminé des informations structurelles clés sur un catalyseur potentiel, faire un pas vers la conception d'un matériau idéal pour le travail.

En raison de la complexité mécanique et électrique de la réaction de séparation de l'eau, il existe de nombreuses exigences pour qu'un catalyseur fonctionne de manière optimale. Les scientifiques doivent comprendre non seulement la structure moléculaire locale d'un candidat, mais aussi sa structure sur de plus longues distances - en particulier à l'échelle nanométrique, qui tend à être un bon indicateur du comportement électronique d'un matériau et donc de son activité catalytique globale.

Les scientifiques se concentrent de plus en plus sur un groupe particulier de catalyseurs :les couches minces à base de cobalt. Ces films sont créés par électrodéposition à partir de solutions aqueuses de cobalt mélangées à un électrolyte. Dans cette étude, chercheurs de l'Université de Columbia, Université de Harvard, et Brookhaven Lab a utilisé des rayons X pour mieux comprendre la structure nanométrique de gamme intermédiaire de l'un de ces films. Ils ont également étudié les différences structurelles entre les films cultivés à l'aide de deux électrolytes :phosphate, un ion phosphore-oxygène négatif, et borate, négatif un ion bore-oxygène. Les films résultants sont notés CoPi et CoBi, respectivement.

Données de diffusion des rayons X des échantillons CoPi et CoBi, prise à la ligne de lumière NSLS X7B, indiquent que les deux sont nanocristallins. Cela signifie qu'ils sont constitués de grains nanométriques, chacun ayant une taille d'environ 1,5 à 3 nanomètres (nm) avec une structure moléculaire ordonnée. En dehors de, il y a des différences claires et importantes.

Les films de CoBi sont constitués d'amas de cobalate (cobalt-oxygène) de 3 à 4 nm qui s'empilent parfaitement jusqu'à trois couches de profondeur. Les films CoPi sont constitués de grappes nettement plus petites qui ne s'empilent pas de manière ordonnée.

Ces différences structurelles semblent liées à l'activité catalytique des films. Les données électrochimiques montrent que, à mesure que l'épaisseur du film augmente, les films CoBi étaient plus actifs que CoPi et ont finalement affiché une performance « significativement supérieure ». Ces résultats suggèrent que l'augmentation de l'épaisseur du film de CoBi augmente également la surface efficace disponible pour la catalyse, tout en préservant les propriétés de transport de charges des films.

"Nos résultats montrent une différence concrète entre CoBi et CoPi, permettant ainsi un premier aperçu d'une corrélation structure-fonction tangible, " a déclaré le chimiste et professeur de Harvard Daniel Nocera.

Le groupe prévoit des études supplémentaires pour explorer certaines questions connexes, tels que la nature du transport de charge entre les couches de CoBi et le comportement des films sur des plages plus longues que l'échelle nanométrique.