L'électrochimie joue un rôle de plus en plus important :qu'il s'agisse de piles à combustible, électrolyse ou stockage d'énergie chimique, des réactions chimiques contrôlées par le courant électrique sont utilisées. Le facteur décisif dans toutes ces applications est que les réactions sont aussi rapides et efficaces que possible.

Une étape importante vient d'être franchie par une équipe de la TU Wien (Vienne) et de DESY à Hambourg :elles ont montré qu'un matériau spécial en lanthane, strontium, le fer et l'oxygène peuvent être commutés entre deux états différents :dans un état, le matériau est catalytiquement extrêmement actif, dans l'autre moins. La raison en est le comportement de minuscules nanoparticules de fer à la surface, ce qui a maintenant été démontré dans des expériences au synchrotron à électrons allemand DESY à Hambourg. Cette découverte devrait maintenant permettre de développer des catalyseurs encore meilleurs. Le résultat a été publié dans la revue Communication Nature .

La tension électrique provoque la migration des ions oxygène

"Nous utilisons des pérovskites pour nos expériences électrochimiques depuis des années, " déclare le professeur Alexander Opitz de l'Institute of Chemical Technologies and Analytics. " Les pérovskites sont une classe très diversifiée de matériaux, certains d'entre eux sont d'excellents catalyseurs. » La surface des pérovskites peut aider à mettre en contact certains réactifs ou à les séparer à nouveau. « Surtout, les pérovskites ont l'avantage d'être perméables aux ions oxygène. Par conséquent, ils peuvent conduire le courant électrique, et nous en profitons."

Lorsqu'une tension électrique est appliquée à la pérovskite, les ions oxygène sont libérés de leur place dans le cristal et commencent à migrer à travers le matériau. Si la tension dépasse une certaine valeur, cela conduit également à la migration des atomes de fer dans la pérovskite. Ils se déplacent vers la surface et y forment de minuscules particules, avec un diamètre de quelques nanomètres seulement. Essentiellement, ces nanoparticules sont d'excellents catalyseurs.

"La chose intéressante est que si l'on inverse la tension électrique, l'activité catalytique diminue à nouveau. Et jusqu'à présent, la raison n'était pas claire, " dit Alexander Opitz. " Certaines personnes soupçonnaient que les atomes de fer migreraient simplement de nouveau dans le cristal, mais ce n'est pas vrai. Lorsque l'effet se produit, les atomes de fer n'ont pas du tout à quitter leur place à la surface du matériau."

Analyse aux rayons X à DESY

L'équipe de recherche de la TU Wien a collaboré avec une équipe du Synchrotron électronique de Hambourg (DESY) pour analyser avec précision la structure des nanoparticules avec des rayons X pendant que les processus chimiques se déroulent. Il s'est avéré que les nanoparticules changent d'état entre deux états différents, en fonction de la tension appliquée :« Nous pouvons faire basculer les particules de fer entre un état métallique et un état oxyde, " dit Opitz. La tension appliquée détermine si les ions d'oxygène dans le matériau sont pompés vers les nanoparticules de fer ou loin d'elles. Cela permet de contrôler la quantité d'oxygène contenue dans les nanoparticules, et selon la quantité d'oxygène, les nanoparticules peuvent former deux structures différentes, une riche en oxygène, à faible activité catalytique, et pauvre en oxygène, c'est-à-dire métallique, qui est catalytiquement très active.

"C'est une découverte très importante pour nous, " dit-il. " Si la commutation entre les deux états était provoquée par les atomes de fer de la nanoparticule qui rediffusaient dans le cristal, des températures très élevées seraient nécessaires pour que ce processus se déroule efficacement. Maintenant que nous comprenons que le changement d'activité n'est pas lié à la diffusion des atomes de fer mais au changement entre deux structures cristallines différentes, nous savons également que des températures relativement basses peuvent être suffisantes. Cela rend ce type de catalyseur encore plus intéressant car il peut potentiellement être utilisé pour accélérer des réactions technologiquement pertinentes. »

De l'hydrogène au stockage d'énergie

Ce mécanisme catalytique doit maintenant être étudié plus avant, également pour les matériaux avec des compositions légèrement différentes. Cela pourrait augmenter l'efficacité de nombreuses applications. "C'est particulièrement intéressant pour les réactions chimiques qui sont importantes dans le secteur de l'énergie, " dit Opitz. " Par exemple, lorsqu'il s'agit de produire de l'hydrogène ou du gaz de synthèse, ou au stockage d'énergie en produisant du carburant avec du courant électrique."