La transition vers une économie énergétique durable nécessite des méthodes électrocatalytiques pour convertir l'énergie électrique en énergie chimique et en matières premières. Une équipe de chercheurs de la TU Berlin, ETH Zurich, le Conseil National de Recherches—Institut des Matériaux de Trieste, et dirigé par le FHI a maintenant découvert le mécanisme de réaction d'un goulot d'étranglement majeur dans ces processus, la réaction de dégagement d'oxygène. Les résultats sont publiés dans La nature .

Dégagement électrocatalytique d'oxygène, la demi-réaction critique de fractionnement de l'eau, est une technologie clé dans la transition vers une économie basée sur les énergies renouvelables. Ceci est dû au fait, à mesure que la part des sources d'énergie renouvelables non acheminables (telles que l'énergie éolienne et solaire) augmente, des solutions de stockage d'énergie sont nécessaires pour absorber les fluctuations de puissance intermittentes et assurer un approvisionnement énergétique fiable. Parmi ceux-ci, la conversion de l'énergie électrique en combustibles chimiques au moyen de protons et d'électrons est l'une des plus flexibles, car les combustibles chimiques peuvent être utilisés quand et où ils sont nécessaires.

Un obstacle majeur, cependant, a trouvé des électrocatalyseurs pour la conversion concomitante de l'eau en oxygène moléculaire, la réaction de dégagement d'oxygène, qui fournit les protons et les électrons pour fabriquer ces combustibles. Dans les efforts visant à développer des électrocatalyseurs améliorés, les experts ont longtemps supposé que la réaction électrocatalytique de dégagement d'oxygène peut être comprise à l'aide d'une méthode bien établie, théorie vieille de plusieurs décennies développée pour décrire les réactions de transfert d'électrons non catalytiques. L'équipe de chercheurs a décidé de tester ces hypothèses et a découvert de manière surprenante que la réaction d'évolution de l'oxygène est en fait plus similaire à la thermocatalyse traditionnelle qu'on ne le pensait auparavant. Cela permet aux outils et concepts développés pour décrire les catalyseurs thermiques traditionnels d'être appliqués pour la première fois à leurs homologues électrochimiques.

"Il est important de comprendre la science fondamentale derrière les électrocatalyseurs afin de les améliorer à l'avenir. Il devenait de plus en plus clair pour nous que l'image traditionnelle de ce qui conduit les réactions électrocatalytiques était incomplète, " explique Peter Strasser, l'un des co-auteurs de l'Université technique de Berlin. Il ajouta, "Les chercheurs supposent généralement que la réaction de dégagement d'oxygène est contrôlée par l'action directe du potentiel électrique sur la coordonnée de réaction. C'est une image très différente de la thermocatalyse où la création et la rupture de liaisons chimiques contrôlent le taux par la chimie de surface."

Dans une étude publiée dans La nature , l'équipe rapporte comment l'une des classes les plus performantes de catalyseurs de dégagement d'oxygène, oxydes d'iridium, fonctionne. Ils ont effectué une spectroscopie de rayons X operando basée sur le synchrotron à BESSY II à Berlin et Petra III à Hambourg pour étudier le comportement des oxydes d'iridium lors du dégagement électrocatalytique d'oxygène. Ces expériences leur permettent de surveiller simultanément le potentiel électrique et la chimie de surface. Ils ont utilisé ce qu'ils ont appris dans ces expériences pour construire des modèles à l'échelle atomique des surfaces du catalyseur, qui ont été utilisés dans des simulations de mécanique quantique de la réaction au High Performance Computing Center de Stuttgart.

"Les simulations ont montré que la vitesse de réaction dépend de façon exponentielle de la couverture de surface de la charge oxydante, en accord avec les mesures, ", explique Travis Jones de l'Institut Fritz Haber.

"Les simulations ont également capturé le changement de pente de Tafel, une caractéristique clé de l'oxyde d'iridium, et l'a attribué à un changement dans la réponse de la charge oxydante au potentiel, plutôt qu'à une modification du mécanisme, comme on le pensait auparavant, " explique Simone Piccinin, un co-auteur du National Research Council—Institute of Materials de Trieste, Italie. Ces études ont conduit les chercheurs à soupçonner que la réaction était contrôlée par la chimie de surface plutôt que par le potentiel agissant directement sur la coordonnée de la réaction.

En développant une méthode en laboratoire pour quantifier l'accumulation de charges, l'équipe a pu cribler une gamme de matériaux et a découvert qu'ils présentaient tous le même comportement. Detre Teschner de l'Institut Fritz Haber explique :« Il est apparu que le rôle du potentiel était d'oxyder la surface et que la charge accumulée par cette oxydation contrôlait la vitesse de réaction un peu comme dans la catalyse thermique.

Après avoir vu que la charge semblait médier le taux électrocatalytique, les chercheurs ont cherché un moyen de contrôler la charge du catalyseur indépendamment du potentiel de tester leur découverte. "Nous avions besoin d'un moyen chimique pour modifier la quantité de charge que les catalyseurs pouvaient stocker et nous avons rapidement réalisé que nous pouvions le faire en remplaçant une partie de l'oxygène à la surface par du chlore, car le chlore ne peut pas être oxydé pour stocker une charge supplémentaire, " déclare Javier Pérez-Ramírez de l'ETH Zürich.

L'équipe de Zürich a utilisé son expertise en chimie des halogènes pour produire une série de catalyseurs avec différentes quantités de chlore. Comme prévu, la charge que les catalyseurs pouvaient stocker variait avec la quantité de chlore qu'ils contenaient. Les tests électrocatalytiques de ces nouveaux matériaux ont vérifié leur comportement dans la réaction de dégagement d'oxygène et correspondaient aux prédictions de l'équipe. « Voir comment la modification de la capacité d'un catalyseur à stocker une charge a modifié de manière prévisible son activité catalytique nous a donné confiance dans les résultats. Nous nous attendons à ce que ce résultat s'applique à une vaste classe d'électrocatalyseurs et nous prévoyons d'utiliser ces nouvelles connaissances pour concevoir et tester de nouveaux matériaux, ", explique Travis Jones de l'Institut Fritz Haber.