Chimie en direct :à l'aide d'un microscope à effet tunnel, des chercheurs de l'Université technique de Munich (TUM) ont pu pour la toute première fois observer en détail l'activité des catalyseurs au cours d'une réaction électrochimique. Les mesures montrent comment la structure de surface des catalyseurs influence leur activité. La nouvelle méthode d'analyse peut maintenant être utilisée pour améliorer les catalyseurs pour l'industrie électrochimique.

Pas de transition énergétique sans catalyseurs :A eux seuls, les procédés chimiques nécessaires à la fabrication d'hydrogène gazeux à partir d'électricité, pour reconvertir l'hydrogène en énergie électrique dans les piles à combustible, ou pour convertir le dioxyde de carbone en carburant ont lieu trop lentement pour être d'une utilité pratique. Les catalyseurs accélèrent la réaction sans s'épuiser eux-mêmes.

"Les catalyseurs sont d'une importance énorme pour l'industrie. Par conséquent, l'industrie a un grand intérêt à améliorer encore les matériaux afin d'augmenter l'efficacité des processus", explique Aliaksandr Bandarenka, Professeur de physique de la conversion et du stockage de l'énergie à la TUM.

En collaboration avec son équipe, le chimiste a maintenant fourni une condition préalable cruciale pour le faire :pour la première fois, un microscope à effet tunnel a été utilisé avec succès pour examiner la surface au cours d'un processus catalytique. De cette façon, il a été possible de déterminer en détail les endroits où la vitesse de réaction et donc l'activité des catalyseurs est la plus élevée. Les résultats ont été publiés dans la revue La nature .

A la recherche de centres actifs

Depuis longtemps maintenant, les chercheurs ont suspecté qu'il existe une relation entre la structure de surface et l'activité de catalyseurs hétérogènes, où des réactions chimiques ont lieu à la surface limite entre un solide et un liquide ou un gaz. Les catalyseurs hétérogènes sont utilisés par exemple dans la production électrolytique d'hydrogène gazeux ou pour le nettoyage des gaz d'échappement des véhicules.

"Toutefois, les réactions chimiques ne se déroulent pas à la même vitesse à tous les endroits. Au lieu, il y a des centres actifs à la surface des catalyseurs", rapporte Bandarenka. "Précédemment, nous avons dû nous appuyer sur des calculs de modèles et des mesures indirectes pour localiser ces centres."

Avec la nouvelle procédure d'analyse, l'existence des centres actifs peut maintenant être prouvée expérimentalement. Les échantillons contenant des matériaux catalyseurs, notamment du platine et une combinaison d'or et de palladium, sont recouverts d'une couche d'électrolyte liquide et examinés à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

Alors que les ions hydrogène (c'est-à-dire les protons) reçoivent des électrons de l'électrode, à la surface du catalyseur, et former de l'hydrogène gazeux, la pointe du microscope balaie la surface du catalyseur à une distance de quelques angströms seulement. Point pour point, le "courant tunnel" qui circule entre la surface et la pointe est maintenant mesuré. Un ordinateur connecté à l'appareil enregistre les signaux.

Un mystère "bruyant"

"De façon intéressante, les courants tunnels ne sont pas les mêmes partout. Il y a des zones où le courant est plus fort, mais coule de manière inégale - c'est "bruyant" ", rapporte Bandarenka. L'existence de ce bruit est connue depuis longtemps, mais à ce jour, personne n'a enquêté sur les causes.

Lors de l'évaluation des données, l'équipe TUM a découvert une relation distincte entre l'intensité du bruit et les défauts à la surface des catalyseurs - des pas microscopiques, bords, ou des coins. "Au fur et à mesure que le nombre de défauts augmente, le bruit aussi - plus d'électrons circulent et donc plus de courant aussi ", explique Bandarenka.

Le principe de la restauration rapide

Le chercheur aime comparer le comportement des ions avec celui des convives d'un fast-food :lorsque les sièges sont inconfortables, ils partent tout de suite sans rien consommer. D'autre part, si les sièges sont extrêmement confortables, ils restent assis longtemps, bloquer les sièges pour les nouveaux invités. Ce n'est que lorsque l'assise n'est ni trop confortable ni trop inconfortable que les clients viennent, manger, et repartir.

Vu en termes de processus chimiques pendant l'électrolyse, cela signifie ce qui suit :si la surface du catalyseur est trop attractive ou répulsive chimiquement pour les ions hydrogène, la réaction s'effondre. Les zones les plus efficaces sont celles où les ions sont attirés, mais ne restez pas trop longtemps.

Moins de voisins pour de meilleures réactions

Petits défauts dans le réseau atomique, mais aussi des frontières entre matériaux - par exemple le palladium sur or - semblent créer ces conditions idéales pour la catalyse. Mais pourquoi? "Nos expériences montrent que le nombre d'atomes voisins et la force de la liaison qui en résulte est un facteur crucial pour l'activité", explique Oliver Schneider, l'un des co-auteurs de la publication.

Les chercheurs du TUM ont maintenant l'intention d'utiliser les résultats pour développer des matériaux catalytiques plus efficaces avec des zones actives aussi grandes que possible.