• Home
  • Chimie
  • Astronomie
  • Énergie
  • La nature
  • Biologie
  • Physique
  • Électronique
  •  science >> Science >  >> Chimie
    Des expériences et des analyses montrent comment les électrons et les protons se réunissent sur une surface d'électrode

    En incorporant des sites moléculaires précis (représentés en vert) dans des électrodes en graphite (représentées par le réseau gris), les chercheurs ont pu étudier les interactions d'un proton (un noyau d'hydrogène, représenté par H+) et un électron (e-) avec la surface, et construire un modèle pour les étapes de transfert de protons et d'électrons qui jouent un rôle clé dans les réactions de conversion d'énergie. Crédit :Tomohiro Fukushima

    L'une des réactions chimiques les plus fondamentales qui se déroule dans les systèmes de conversion d'énergie, y compris les catalyseurs, piles à flux, supercondensateurs de stockage d'énergie de grande capacité, et les systèmes de fabrication de carburants utilisant l'énergie solaire – a maintenant été analysé en détail. Les résultats pourraient éclairer le développement de nouveaux matériaux d'électrode ou de catalyseur avec des propriétés précisément ajustées pour correspondre aux niveaux d'énergie nécessaires à leurs fonctions.

    Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue ACS Science centrale , dans un article de Megan Jackson, étudiante diplômée du MIT, post-doctorant Michael Pegis, et professeur de chimie Yogesh Surendranath.

    Pratiquement chaque réaction de conversion d'énergie implique des protons et des électrons qui réagissent les uns avec les autres, et dans les dispositifs fonctionnels, ces réactions ont généralement lieu à la surface d'un solide, comme une électrode de batterie. Jusqu'à maintenant, Surendranath dit, "nous n'avons pas eu une très bonne compréhension fondamentale de ce qui régit la thermodynamique des électrons et des protons se réunissant à une électrode. Nous ne comprenons pas cette thermodynamique au niveau moléculaire, " et sans cette connaissance, la sélection de matériaux pour les appareils énergétiques se résume en grande partie à des essais et des erreurs.

    De nombreuses recherches ont été consacrées à la compréhension des réactions électron-proton dans les molécules, il dit. Dans ces cas, la quantité d'énergie nécessaire pour lier un proton à la molécule, un facteur appelé pKa, peut être distingué de l'énergie nécessaire pour lier un électron à cette molécule, appelé potentiel de réduction.

    Connaître ces deux nombres pour une molécule donnée permet de prédire puis d'ajuster la réactivité. Mais lorsque les réactions ont lieu sur une surface d'électrode à la place, il n'y avait aucun moyen de séparer les deux facteurs différents, car le transfert de protons et le transfert d'électrons se produisent simultanément.

    Un nouveau cadre

    Sur une surface métallique, les électrons peuvent circuler si librement que chaque fois qu'un proton se lie à la surface, un électron entre et s'y lie instantanément. "Il est donc très difficile de déterminer combien d'énergie il faut pour transférer uniquement l'électron et combien d'énergie il faut pour transférer uniquement le proton, car faire l'un mène à l'autre, " dit Surendranath.

    "Si nous savions comment diviser l'énergie en un terme de transfert de protons et un terme de transfert d'électrons, cela nous guiderait dans la conception d'un nouveau catalyseur ou d'une nouvelle batterie ou d'une nouvelle pile à combustible dans laquelle ces réactions doivent se produire aux bons niveaux d'énergie pour stocker ou libérer de l'énergie avec une efficacité optimale. » La raison pour laquelle personne n'avait cette compréhension auparavant, il dit, était parce qu'il a été historiquement presque impossible de contrôler les sites de surface des électrodes avec une précision moléculaire. Même estimer un pKa pour le site de surface pour essayer d'obtenir l'énergie associée au transfert de protons nécessite d'abord une connaissance du site au niveau moléculaire.

    Une nouvelle approche permet ce type de compréhension au niveau moléculaire. En utilisant une méthode qu'ils appellent « conjugaison graphite, " Surendranath et son équipe incorporent des molécules spécifiquement choisies qui peuvent donner et accepter des protons dans des électrodes en graphite de telle sorte que les molécules fassent partie des électrodes.

    En conjuguant électroniquement les molécules sélectionnées à des électrodes de graphite, « nous avons le pouvoir de concevoir des sites de surface avec une précision moléculaire, " dit Jackson. " Nous savons où le proton se lie à la surface au niveau moléculaire, et nous connaissons l'énergie associée à la réaction de transfert de protons sur ce site."

    En conjuguant des molécules avec une large gamme de valeurs de pKa et en mesurant expérimentalement les énergies correspondantes pour le transfert d'électrons couplés aux protons sur les sites conjugués au graphite, ils ont pu construire un cadre qui décrit l'ensemble de la réaction.

    Deux leviers de conception

    "Ce que nous avons développé ici est un modèle au niveau moléculaire qui nous permet de diviser la thermodynamique globale du transfert simultané d'un électron et d'un proton à la surface d'une électrode en deux composants distincts :un pour les protons et un pour les électrons, " dit Jackson. Ce modèle reflète étroitement les modèles utilisés pour décrire cette classe de réactions dans les molécules, et devrait ainsi permettre aux chercheurs de mieux concevoir des électrocatalyseurs et des matériaux de batterie en utilisant des principes de conception moléculaire simples.

    "Ce que cela nous apprend, " Surendranath dit, "est que si nous voulons concevoir un site de surface qui peut transférer et accepter des protons et des électrons à l'énergie optimale, il existe deux leviers de conception que nous pouvons contrôler. On peut contrôler les sites à la surface et leur affinité locale pour le proton, c'est leur pKa. Et nous pouvons aussi l'ajuster en changeant l'énergie intrinsèque des électrons dans le solide, " qui est corrélé à un facteur appelé fonction de travail.

    Cela signifie, selon Surendranath, que « nous avons maintenant un cadre général pour comprendre et concevoir des réactions de transfert d'électrons couplés à des protons à la surface des électrodes, en utilisant l'intuition qu'ont les chimistes sur les types de sites très basiques ou acides, et quels types de matériaux sont très oxydants ou réducteurs." En d'autres termes, il fournit désormais aux chercheurs des « principes de conception systématique, " qui peuvent aider à guider la sélection des matériaux d'électrode pour les réactions de conversion d'énergie.

    Les nouvelles connaissances peuvent être appliquées à de nombreux matériaux d'électrodes, il dit, y compris les oxydes métalliques dans les supercondensateurs, les catalyseurs impliqués dans la fabrication de l'hydrogène ou la réduction du dioxyde de carbone, et les électrodes fonctionnant dans les piles à combustible, car tous ces processus impliquent le transfert d'électrons et de protons à la surface de l'électrode.

    Les réactions de transfert électron-proton sont omniprésentes dans pratiquement toutes les réactions catalytiques électrochimiques, dit Surendranath, "Donc, savoir comment ils se produisent sur une surface est la première étape vers la capacité de concevoir des matériaux catalytiques avec une compréhension au niveau moléculaire. Et nous sommes maintenant, Heureusement, en mesure de franchir ce cap."

    Ce travail « est vraiment novateur, " dit James Mayer, professeur de chimie à l'université de Yale, qui n'a pas participé à ce travail. « L'interconversion de l'énergie chimique et électrique – l'électrocatalyse – est au cœur de nombreux nouveaux scénarios d'énergie renouvelable. Cela est souvent réalisé avec des métaux rares coûteux tels que le platine. Ce travail montre, d'une manière inattendue, un nouveau comportement des électrodes de carbone relativement simples. Cela ouvre des opportunités pour de nouvelles façons de penser et éventuellement de nouvelles technologies pour les conversions d'énergie."

    Jeff Warren, professeur adjoint de chimie à l'Université Simon Fraser à Burnaby, Colombie-Britannique, qui n'était pas associé à cette recherche, affirme que ce travail fournit un pont important entre des recherches approfondies sur de telles réactions proton-électron dans les molécules, et un manque de telles recherches pour les réactions sur les surfaces solides.

    « Cela crée un écart de connaissances fondamental avec lequel les travailleurs sur le terrain (moi y compris) sont aux prises depuis au moins une décennie, " dit-il. " Ce travail aborde ce problème d'une manière vraiment satisfaisante. Je prévois que les idées décrites dans ce manuscrit stimuleront la réflexion sur le terrain pendant un certain temps et construiront des ponts cruciaux entre les chercheurs fondamentaux et appliqués/en ingénierie. »

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.




    © Science https://fr.scienceaq.com