Dans le cadre des préoccupations environnementales telles que la pollution et l'effet de serre, applications de stockage d'énergie respectueuses de l'environnement telles que les piles à combustible, la production d'ammoniac et les batteries lithium-air sont proposées pour remplacer les ressources fossiles. Cependant, la surtension élevée est l'un des problèmes les plus urgents pour les applications pratiques, et des électrocatalyseurs sont appliqués sous forme de solution. La conception de catalyseurs à haute activité pour les conversions électrochimiques est un défi. Scientifiques de l'Académie chinoise des sciences, Shanghaï, Chine, et l'Université de Shanghai, Shanghaï, Chine, passé en revue certains descripteurs d'activité représentatifs pour cribler les catalyseurs à haute activité dans les futurs calculs et expériences à haut débit. Ce travail, intitulé « Descripteurs d'activité basés sur l'adsorption et l'énergie pour les électrocatalyseurs dans les applications de stockage d'énergie, " a été publié dans Revue scientifique nationale .

Les scientifiques décrivent une stratégie simple pour améliorer l'activité catalytique afin de réduire les barrières d'activation des réactions électrochimiques en ajustant le couplage électronique interfacial entre l'adsorbat et la surface du catalyseur.

"Les procédés électrocatalytiques impliquent généralement l'adsorption de réactifs à la surface des catalyseurs, rompre certaines liaisons réactives pour former de nouvelles liaisons chimiques entre le catalyseur et les réactifs, et aboutir à des intermédiaires activés. Parce que l'activité catalytique est attribuée au couplage électronique interfacial, l'énergie d'adsorption est un bon descripteur pour identifier l'activité catalytique pour les réactions de surface."

Basé sur le changement d'énergie libre de la réaction électrochimique, les auteurs ont divisé l'ensemble de la réaction électrochimique en une partie de réaction intrinsèque et une partie d'effet catalytique. "L'effet catalytique se reflète directement dans les différences d'énergie d'adsorption des réactifs et des produits, " ils ont déclaré. L'énergie d'adsorption en tant que descripteur catalytique dans ces réactions typiques est discutée dans les réactions de paires d'électrons, réactions d'évolution et réactions de réduction pour présenter l'effet du couplage électronique entre les catalyseurs et les espèces chargées sur l'activité catalytique.

"La relation entre l'énergie d'adsorption et l'activité catalytique est utile pour la sélection initiale des catalyseurs et la clé de la cartographie de la relation est d'établir la relation quantitative entre les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux et les descripteurs catalytiques, " écrivent-ils. Des descripteurs structurels et élémentaires tels que le centre de la bande d, le facteur de tolérance et, par exemple, le nombre d'électrons sont expliqués dans le cadre de la bande d en relation avec l'énergie d'adsorption. "En outre, car les descripteurs structuraux et élémentaires sont quantifiés expérimentalement par rapport à l'énergie d'adsorption, les descripteurs structurels et élémentaires sont utiles pour découvrir de nouveaux matériaux catalytiques et assurer un bond en avant dans les performances électrochimiques. »

"Le transfert de charge est également un élément important dans les réactions électrochimiques et améliore l'activité catalytique. Le principe du transfert de charge est d'éliminer la charge des liaisons stables dans les réactifs et d'abaisser la barrière d'activation de l'étape de limitation de vitesse, " ont-ils ajouté.

« La compréhension fondamentale des relations structure-activité entre l'activité catalytique et les propriétés physiques des matériaux catalytiques est utile pour choisir des descripteurs efficaces et développer des modèles informatiques multi-échelles efficaces pour une description précise des matériaux catalytiques. Des calculs et des expériences à haut débit peuvent être utilisés pour accélérer le criblage des matériaux catalytiques et raccourcir le cycle de développement dans les études futures, " écrivent les scientifiques. " Cependant, même résoudre le problème intrinsèque de l'activité, les catalyseurs sont toujours confrontés aux exigences vitales de stabilité et de sécurité avant les applications pratiques... Ces problèmes de stabilité et de sécurité doivent également être pris en compte avant un catalyseur, qui est tamisé pour exercer une activité catalytique élevée, est mis en application."