L'érythrite minéral se compose d'oxydes de cobalt et d'arsenic avec une formule moléculaire de (Co3(AsO4)2∙8H2O). C'est un système modèle pour un groupe de matériaux de catalyseur qui s'améliorent avec le temps. Crédit :CC BY 3.0, via Wikimedia Commons
Comme règle, la plupart des matériaux catalytiques se détériorent au cours des cycles catalytiques répétés - ils vieillissent. Mais il existe aussi des composés qui augmentent leurs performances au cours de la catalyse. Un exemple est le minéral érythrite, un composé minéral comprenant des oxydes de cobalt et d'arsenic de formule moléculaire (Co
Échantillons du Costa Rica
Le groupe de jeunes chercheurs dirigé par le Dr Marcel Risch au HZB avec des groupes du Costa Rica a maintenant analysé en détail ces matériaux minéraux catalyseurs à BESSY II et a fait une découverte intéressante.
À l'aide d'échantillons produits par des collègues du Costa Rica constitués de minuscules cristaux d'érythrite sous forme de poudre, Javier Villalobos, doctorant dans le groupe Risch à la HZB, enduit les électrodes de cette poudre. Il les a ensuite examinés avant, pendant, et après des centaines de cycles d'électrolyse dans quatre électrolytes différents à pH neutre, y compris l'eau gazeuse ordinaire (eau gazeuse).
Perte de la structure d'origine
Heures supplémentaires, la surface de chaque couche catalytiquement active présentait des changements clairs dans tous les électrolytes. La structure cristalline d'origine a été perdue, comme le montrent les images du microscope électronique à balayage, et plus d'ions cobalt ont changé leur nombre d'oxydation en raison de la tension appliquée, qui a été déterminé électrochimiquement. L'augmentation du rendement en oxygène a également été démontrée au cours du temps dans l'eau gazeuse (eau gazeuse), mais seulement dans cet électrolyte. Le catalyseur s'est nettement amélioré.
Observations à BESSY II
Avec des analyses à BESSY II, les chercheurs sont maintenant en mesure d'expliquer pourquoi cela a été le cas :en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X, ils ont scanné l'environnement atomique et chimique autour des ions cobalt. Les échantillons les plus actifs ont perdu leur structure cristalline d'érythrite d'origine et ont été transformés en une structure moins ordonnée qui peut être décrite comme des plaquettes de seulement deux atomes d'épaisseur. Plus ces plaquettes devenaient grosses, plus l'échantillon était actif. Les données au cours des cycles de catalyse ont montré que le nombre d'oxydation du cobalt dans ces plaquettes augmentait le plus dans l'eau de soude, de 2,0 à 2,8. Étant donné que les oxydes avec un nombre d'oxydation de 3 sont connus pour être de très bons catalyseurs, ceci explique l'amélioration par rapport aux catalyseurs qui se sont formés dans les autres électrolytes.
Le rendement en oxygène a doublé
Dans de l'eau gazeuse, le rendement en oxygène par ion cobalt a diminué d'un facteur 28 sur 800 cycles, mais en même temps, 56 fois plus d'atomes de cobalt ont changé leur indice d'oxydation électrochimiquement. Macroscopiquement, la génération de courant électrique et donc le rendement en oxygène de l'électrode ont doublé.
Des aiguilles au fromage suisse
En un mot, Risch explique :« Au fil du temps, le matériau devient comme du fromage suisse avec de nombreux trous et une plus grande surface où beaucoup plus de réactions peuvent avoir lieu. Même si les centres catalytiquement actifs individuels s'affaiblissent un peu au fil du temps, la surface plus grande signifie que beaucoup plus de centres catalytiquement actifs potentiels entrent en contact avec l'électrolyte et augmentent le rendement.
Risch suggère que de tels mécanismes peuvent également être trouvés dans de nombreuses autres classes de matériaux constitués de composés non toxiques, qui peuvent être développés en catalyseurs appropriés.
L'étude a été publiée dans Matériaux énergétiques avancés .
