Une illustration combine deux types possibles de couches de surface pour un catalyseur qui effectue la réaction de division de l'eau, la première étape dans la fabrication de carburant hydrogène. La surface grise, Haut, est l'oxyde de lanthane. La surface colorée est en oxyde de nickel; un réarrangement de ses atomes en effectuant la réaction l'a rendu deux fois plus efficace, un phénomène que les chercheurs espèrent exploiter pour concevoir de meilleurs catalyseurs. Les atomes de lanthane sont représentés en vert, nickel en bleu et oxygène en rouge. Crédit :CUBE3D Graphic
Les scientifiques fabriquant un catalyseur à base de nickel utilisé dans la fabrication de carburant à l'hydrogène l'ont construit une couche atomique à la fois pour obtenir un contrôle total sur ses propriétés chimiques. Mais le matériau fini ne s'est pas comporté comme ils s'y attendaient :alors qu'une version du catalyseur faisait son travail, la couche supérieure d'atomes réarrangée pour former un nouveau motif, comme si les carreaux carrés qui recouvrent un sol s'étaient soudainement transformés en hexagones.
Mais ça va, ils ont rapporté aujourd'hui, parce que comprendre et contrôler cette transformation surprenante leur donne une nouvelle façon d'activer et de désactiver l'activité catalytique et de rendre les bons catalyseurs encore meilleurs.
L'équipe de recherche, dirigé par des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, ont décrit leur étude dans Matériaux naturels aujourd'hui.
"Les catalyseurs peuvent changer très rapidement au cours d'une réaction, et comprendre comment ils passent d'une phase inactive à une phase active est crucial pour concevoir des catalyseurs plus efficaces, " dit Will Chueh, un chercheur du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC qui a dirigé l'étude. "Cette transformation nous donne l'équivalent d'un bouton que nous pouvons tourner pour affiner leur comportement."
Fractionnement de l'eau pour faire de l'hydrogène
Les catalyseurs aident les molécules à réagir sans être consommées dans la réaction, afin qu'ils puissent être utilisés encore et encore. Ils sont l'épine dorsale de nombreux appareils à énergie verte.
Ce catalyseur particulier, oxyde de lanthane nickel ou LNO, est utilisé pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène dans une réaction alimentée par l'électricité. C'est la première étape de la production d'hydrogène carburant, qui a un énorme potentiel de stockage d'énergie renouvelable à partir de la lumière du soleil et d'autres sources sous une forme liquide riche en énergie et facile à transporter. En réalité, plusieurs constructeurs ont déjà produit des voitures électriques alimentées par des piles à combustible à hydrogène.
Mais cette première étape est aussi la plus difficile, dit Michal Bajdich, un théoricien au SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis au SLAC, et les chercheurs ont recherché des matériaux peu coûteux qui le réaliseraient plus efficacement.
Puisque les réactions ont lieu à la surface d'un catalyseur, les chercheurs ont essayé de concevoir avec précision ces surfaces afin qu'elles ne favorisent qu'une seule réaction chimique spécifique avec une efficacité élevée.
Une nouvelle étude montre comment peaufiner la couche de surface d'un catalyseur peut améliorer son fonctionnement. Ce catalyseur particulier est utilisé pour diviser l'eau, la première étape dans la fabrication de carburant hydrogène. Il est constitué de couches alternées de matériaux riches en nickel (sphères bleues) et en lanthane (sphères vertes; les sphères rouges représentent les atomes d'oxygène). Lorsque le matériau est cultivé à des températures relativement froides, une couche riche en nickel se trouve sur le dessus (à gauche), les atomes sur cette couche de surface se réorganisent au cours de la réaction de séparation de l'eau (au milieu) d'une manière qui leur permet d'effectuer la réaction plus efficacement (à droite). Ce résultat surprenant donne aux scientifiques une nouvelle façon de régler l'activité catalytique et de concevoir de meilleurs catalyseurs. Crédit :Tomas Duchon/Forschungszentrum Juelich
Matériaux de construction une couche atomique à la fois
Le LNO étudié dans cette étude appartient à une classe de matériaux catalytiques prometteurs appelés pérovskites, nommé d'après un minéral naturel avec une structure atomique similaire.
Christoph Baeumer, qui est venu au SLAC en tant que boursier Marie Curie de l'Université d'Aix-la-Chapelle en Allemagne pour mener l'étude, préparé du LNO dans ce qu'on appelle un film mince épitaxié - un film développé en couches atomiquement minces d'une manière qui crée un arrangement extraordinairement précis d'atomes.
Partageant son temps entre la Californie et l'Allemagne, Baeumer a réalisé deux versions du film à des températures différentes, une avec une surface riche en nickel et une autre avec une surface riche en lanthane. Ensuite, l'équipe de recherche a passé toutes les versions à travers la réaction de séparation de l'eau pour comparer leurs performances.
"Nous avons été surpris de découvrir que les films aux surfaces riches en nickel effectuaient la réaction deux fois plus vite, " a déclaré Baeumer.
Réglage de la surface d'un catalyseur pour de meilleures performances
Pour savoir pourquoi, l'équipe a apporté les films au laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE, où un groupe dirigé par Slavomir Nemsak a examiné leur structure atomique avec des rayons X à la source lumineuse avancée.
"Il était surprenant que la différence entre le 'bon' et le 'mauvais' catalyseur n'était que dans la dernière couche atomique des films, " a déclaré Nemsak. Ces enquêtes ont également révélé que dans les films avec des couches de surface riches en nickel qui ont été préparés à des températures plus froides, la couche supérieure d'atomes transformée à un moment donné au cours de la réaction de séparation de l'eau, et ce nouvel arrangement a stimulé l'activité catalytique.
Pendant ce temps, Jiang Li, chercheur postdoctoral et théoricien au SUNCAT, effectué des études informatiques de ce système très complexe à l'aide du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley (NERSC). Ses conclusions sont en accord avec les résultats expérimentaux, prédisant que la version du catalyseur avec la surface transformée - d'un modèle cubique à un modèle hexagonal - serait la plus active et la plus stable.
Bajdich a dit, "La transformation de la surface riche en nickel est-elle entraînée par la façon dont le catalyseur est préparé, ou par les changements qu'il subit pendant qu'il effectue la réaction de séparation de l'eau ? C'est très difficile de répondre. Il semble que les deux doivent se produire."
Bien que ce catalyseur particulier ne soit pas le meilleur au monde pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, il a dit, découvrir comment une transformation de surface stimule son activité est important et pourrait potentiellement s'appliquer à d'autres matériaux également.
"Si nous pouvons percer les secrets de cette transformation afin de pouvoir la régler avec précision, " il a dit, "alors nous pouvons tirer parti de ce phénomène pour fabriquer de bien meilleurs catalyseurs à l'avenir."
