Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont cherché un moyen efficace et efficient de transformer l'eau en combustibles de stockage d'énergie en utilisant l'électricité solaire et éolienne, probablement en divisant l'eau en hydrogène et oxygène. Pour faire ça, ils ont cherché des catalyseurs pour faire se produire ces réactions de division de l'eau.

Les chercheurs savent depuis un certain temps que les oxydes de nombreux métaux, y compris l'oxyde de fer familier appelé rouille, sont capables de fonctionner comme des catalyseurs de séparation de l'eau, en particulier lorsque les atomes des oxydes métalliques sont organisés en petits amas. Cependant, l'activité de ces clusters, ou domaines, peuvent varier énormément selon leurs structures.

Dans une nouvelle étude d'un groupe apparenté d'oxydes de cobalt, des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont cherché à déterminer pourquoi deux catalyseurs similaires avec des tailles de domaine quelque peu différentes se comportaient différemment.

"Notre équipe de recherche voulait vraiment comprendre pourquoi les oxydes de cobalt qui peuvent être contrôlés pour différer uniquement en termes de structure de domaine ont des activités de séparation de l'eau si différentes, " a déclaré le chimiste David Tiede, Distinguished Fellow dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie d'Argonne. "Comprendre cela fournirait un moyen de comprendre la catalyse par division de l'eau pour les oxydes métalliques de manière plus générale."

Dans l'étude, Tiede et ses collègues ont utilisé la source de photons avancée (APS) d'Argonne et le Center for Nanoscale Materials (CNM), avec la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, toutes les installations des utilisateurs du DOE Office of Science. Ils ont combiné un large éventail de différentes techniques de rayons X et les capacités de microscopie électronique du CNM pour examiner ces domaines à l'échelle atomique.

« Ce qui est passionnant dans cette recherche, c'est que nous avons adopté une approche véritablement multimodale qui combine la puissance des rayons X mous et durs, " a déclaré Tiede.

Tiede et d'autres chercheurs ont présenté un article sur l'étude dans le Journal de l'American Chemical Society , l'été dernier.

"Les techniques de rayons X résonants sont un outil puissant pour fournir une mine d'informations structurelles et électroniques sur les catalyseurs d'oxyde métallique, en particulier lorsqu'elles sont structurellement mal définies, " a ajouté Jung Ho Kim, physicien aux rayons X d'Argonne, qui était parmi ces auteurs.

L'équipe de recherche a pu montrer que les différences d'activité catalytique sont contrôlées par la conductivité à l'échelle atomique.

Lorsque les domaines d'oxyde de cobalt se sont formés en présence de borate, les chercheurs ont constaté que les électrons se déplaçaient relativement rapidement et sans à-coups dans tout le matériau. Lorsque les oxydes de cobalt se sont formés avec le phosphate, cependant, les charges électriques ne pouvaient pas migrer aussi facilement.

La raison de cette différence, Tiede a expliqué, est que les atomes de cobalt dans le borate de cobalt peuvent partager des électrons entre eux dans ce que les scientifiques appellent des orbitales hybrides. "Essentiellement, vous pouvez penser aux orbitales hybrides dans le borate de cobalt comme étant comme les médias sociaux Internet, alors que les orbitales en phosphate de cobalt sont comme des téléphones fixes, " a déclaré Tiede. " L'information peut voyager plus rapidement grâce à des connexions réseau permanentes. "

La présence des orbitales hybrides dans le borate de cobalt fait du matériau un meilleur catalyseur de séparation de l'eau que le phosphate de cobalt, même si ce dernier possède des sites catalytiques plus actifs. « Pouvoir déplacer les charges vers les sites actifs devient le facteur clé pour déterminer l'efficacité du catalyseur, " a déclaré Tiede.

En examinant les deux oxydes de cobalt, Tiede et son équipe ont trouvé autre chose de surprenant. Typiquement, le processus de séparation de l'eau nécessite des étapes de rupture et de création de liaison qui sont les parties les plus difficiles de la catalyse, mais dans ce cas, obtenir une charge suffisante sur les sites actifs s'est avéré être la partie la plus difficile. « La facturation des sites assez rapidement est un paramètre de conception clé que nous devons apprendre à contrôler, " a déclaré Tiede.

La combinaison de la mobilité des charges et de l'efficacité de séparation de l'eau sera essentielle pour développer un catalyseur capable de transformer efficacement l'eau en électricité. "Vous pouvez avoir le meilleur climatiseur au monde, mais si le câblage dans votre maison est terrible, vous n'allez pas le faire fonctionner correctement, " Tiede a ajouté. " Le site de partage d'eau fait beaucoup de choses compliquées, mais s'il n'y a pas assez de courant, ça ne va pas faire grand chose."

Le document basé sur l'étude, "Résolution des facteurs électroniques et structurels sous-jacents aux performances de dégagement d'oxygène dans les catalyseurs à l'oxyde de cobalt amorphe, " paru dans le numéro du 20 juillet du Journal de l'American Chemical Society .