En route pour un CO 2 -économie neutre, nous devons perfectionner toute une gamme de technologies, dont l'extraction électrochimique de l'hydrogène à partir de l'eau, réservoirs de carburant, ou le captage du carbone. Toutes ces technologies ont un point commun :elles ne fonctionnent que si des catalyseurs adaptés sont utilisés. Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont donc recherché quels matériaux sont les mieux adaptés à cette fin.

À la TU Wien et au Comet Center for Electrochemistry and Surface Technology CEST à Wiener Neustadt, une combinaison unique de méthodes de recherche est disponible pour ce type de recherche. Ensemble, les scientifiques pourraient désormais montrer :la recherche du catalyseur parfait ne consiste pas seulement à trouver le bon matériau, mais aussi sur son orientation. Selon le sens dans lequel un cristal est taillé et lequel de ses atomes il présente ainsi au monde extérieur à sa surface, son comportement peut changer radicalement.

Efficacité ou stabilité

"Pour de nombreux processus importants en électrochimie, les métaux précieux sont souvent utilisés comme catalyseurs, tels que les particules d'oxyde d'iridium ou de platine, " explique le professeur Markus Valtiner de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien (IAP). Dans de nombreux cas, il s'agit de catalyseurs avec une efficacité particulièrement élevée. Cependant, il y a aussi d'autres points importants à considérer :La stabilité d'un catalyseur et la disponibilité et la recyclabilité des matériaux. Le matériau catalyseur le plus efficace est de peu d'utilité s'il s'agit d'un métal rare, se dissout après peu de temps, subit des modifications chimiques ou devient inutilisable pour d'autres raisons.

Pour cette raison, autre, des catalyseurs plus durables sont intéressants, comme l'oxyde de zinc, même s'ils sont encore moins efficaces. En combinant différentes méthodes de mesure, il est maintenant possible de montrer que l'efficacité et la stabilité de tels catalyseurs peuvent être significativement améliorées en étudiant la structuration de la surface des cristaux de catalyseur à l'échelle atomique.

Tout dépend de l'orientation

Les cristaux peuvent avoir différentes surfaces :« Imaginons un cristal en forme de cube que l'on coupe en deux, " explique Markus Valtiner. " Nous pouvons couper le cube directement au milieu pour créer deux cuboïdes. Ou nous pouvons le couper exactement en diagonale, à un angle de 45 degrés. Les surfaces coupées que l'on obtient dans ces deux cas sont différentes :Des atomes différents sont situés à des distances différentes les uns des autres sur la surface coupée. Par conséquent, ces surfaces peuvent également se comporter très différemment dans les processus chimiques".

Les cristaux d'oxyde de zinc ne sont pas en forme de cube, mais forment des hexagones en nid d'abeille - mais le même principe s'applique ici, aussi :ses propriétés dépendent de la disposition des atomes à la surface. "Si vous choisissez exactement le bon angle de surface, des trous triangulaires microscopiquement petits s'y forment, avec un diamètre de quelques atomes seulement, " dit Markus Valtiner. " Les atomes d'hydrogène peuvent s'y attacher, des processus chimiques ont lieu qui favorisent la division de l'eau, mais en même temps stabiliser le matériau lui-même".

L'équipe de recherche a pu prouver pour la première fois cette stabilisation :« A la surface du catalyseur, l'eau est divisée en hydrogène et oxygène. Pendant que ce processus est en cours, nous pouvons prélever des échantillons liquides et examiner s'ils contiennent des traces du catalyseur, " explique Markus Valtiner. " Pour ce faire, le liquide doit d'abord être fortement chauffé dans un plasma et décomposé en atomes individuels. Ensuite, nous séparons ces atomes dans un spectromètre de masse et les trions, élément par élément. Si le catalyseur est stable, nous devrions à peine trouver des atomes du matériau catalyseur. En effet, nous n'avons pu détecter aucune décomposition du matériau au niveau des structures triangulaires atomiques lors de la production d'hydrogène". Cet effet stabilisant est étonnamment fort. .

Opportunités de recherche uniques pour la transformation du système énergétique

Les structures de surface atomiques sont étudiées à la TU Wien depuis de nombreuses années. « Dans notre institut, ces structures triangulaires ont été démontrées et expliquées théoriquement il y a des années, et maintenant nous sommes les premiers à démontrer leur importance pour l'électrochimie, " explique Markus Valtiner. " C'est parce que nous sommes dans la situation unique ici de pouvoir combiner toutes les étapes de recherche nécessaires sous un même toit - de la préparation d'échantillons à la simulation sur des supercalculateurs, de la microscopie sous ultra-vide aux tests pratiques dans des environnements réalistes."

"Cette collaboration de différentes spécialités sous un même toit est unique, et notre grand avantage de pouvoir être un leader mondial de la recherche et de l'enseignement dans ce domaine, " dit Carina Brunnhofer, étudiant à l'IAP.

« Au cours des dix prochaines années, nous développerons des systèmes stables et commercialement viables pour le fractionnement de l'eau et le CO 2 réduction basée sur des développements méthodologiques et une compréhension fondamentale de la chimie et de la physique des surfaces, " dit Dominik Dworschak, le premier auteur de l'étude récemment publiée. "Toutefois, au moins un doublement durable de la puissance actuelle doit être atteint en parallèle, " note Markus Valtiner. " Nous sommes donc sur une voie passionnante, sur laquelle nous n'atteindrons nos objectifs climatiques que grâce à des recherche et développement intersectoriels.