Des procédés électrochimiques pourraient être utilisés pour convertir le CO 2 en matières premières utiles pour l'industrie. Pour optimiser les processus, les chimistes tentent de calculer en détail les coûts énergétiques induits par les différents partenaires et étapes de réaction. Des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et de Sorbonne Université à Paris ont découvert comment de petites molécules hydrophobes, comme le CO 2 , contribuer aux coûts énergétiques de telles réactions en analysant comment les molécules interagissent dans l'eau à l'interface. L'équipe décrit les résultats dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences , publié en ligne le 13 avril 2021.

Pour mener les travaux, Le Dr Alessandra Serva et le Professeur Mathieu Salanne du Laboratoire PHENIX de l'Université Sorbonne ont collaboré avec le Professeur Martina Havenith et le Dr Simone Pezzotti de la Chaire Bochum de Chimie Physique II.

Rôle crucial des petites molécules hydrophobes

Dans de nombreux procédés électrochimiques, de petites molécules hydrophobes réagissent aux surfaces du catalyseur qui sont souvent constituées de métaux précieux. De telles réactions ont souvent lieu dans une solution aqueuse, où les molécules d'eau forment ce que l'on appelle des coquilles d'hydratation autour des autres molécules :elles s'accumulent autour des autres molécules. L'eau environnante polaire, c'est-à-dire que les molécules hygroscopiques se comportent différemment par rapport à l'eau entourant les molécules non polaires, qui sont également appelés hydrophobes. L'équipe de recherche franco-allemande s'est intéressée à cette hydratation hydrophobe.

À l'aide de simulations de dynamique moléculaire, les chercheurs ont analysé l'hydratation hydrophobe de petites molécules telles que le dioxyde de carbone (CO 2 ) ou de l'azote (N2) à l'interface entre l'or et l'eau. Ils ont montré que l'interaction des molécules d'eau au voisinage de petites molécules hydrophobes contribue de manière cruciale aux coûts énergétiques des réactions électrochimiques.

Modèle de calcul des coûts énergétiques étendu

Les chercheurs ont mis en œuvre ces résultats dans la théorie de Lum-Chandler-Weeks. Cela permet de calculer l'énergie nécessaire à la formation des réseaux d'eau. "Les coûts énergétiques pour l'hydratation hydrophobe ont été calculés pour la masse dans le modèle précédent. Ce modèle a maintenant été étendu ici aux molécules hydrophobes à proximité des interfaces. Ce cas n'était pas inclus auparavant, " explique Martina Havenith, le Speaker du Pôle d'Excellence Ruhr Explore Solvation, RÉSOLV pour faire court, au RUB. Le modèle adapté permet désormais de calculer les coûts énergétiques de l'hydratation hydrophobe à l'interface entre l'or et l'eau en fonction de la taille des molécules hydrophobes. « En raison de la contribution de l'eau, la taille des molécules joue un rôle important dans les réactions chimiques à ces interfaces, " déclare le Dr Simone Pezzotti de la chaire Bochum de chimie physique II.

Par exemple, le modèle prédit que de petites molécules hydrophobes auraient tendance à s'accumuler à l'interface en fonction des interactions avec l'eau, tandis que les molécules plus grosses resteraient plus loin dans la solution.