Une équipe dirigée par le professeur YU Shuhong et le professeur HOU Zhonghuai de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences a développé une approche d'ingénierie microchimique guidée par la théorie pour manipuler la cinétique de réaction et ainsi optimiser les performances électrocatalytiques de la réaction d'oxydation du méthanol (MOR) en canal ordonné et réticulé 3D (3DOC). L'étude a été publiée dans le Journal de l'American Chemical Society .

En génie chimique à l'échelle micro-nano, deux facteurs principaux affectent généralement la cinétique électrocatalytique à l'interface électrode-électrolyte, c'est à dire., la réaction à la surface de l'électrode et le transfert de masse de l'électrolyte vers la surface proche et à l'intérieur de la couche de diffusion.

La réaction de surface peut être optimisée en concevant des catalyseurs à l'échelle nanométrique et en augmentant la porosité pour augmenter les sites actifs, ainsi qu'en ajustant la structure électronique et l'énergie de liaison pour augmenter l'activité intrinsèque des sites actifs. Pour l'électrocatalyse impliquant un macrocatalyseur, le transfert de masse de l'électrolyte en masse à la surface du catalyseur est suffisamment rapide en raison de la longueur caractéristique négligeable de la couche de diffusion par rapport à la taille du catalyseur.

Cependant, à mesure que le catalyseur se réduit à l'échelle nanométrique, le transfert de masse s'écarte considérablement de la prédiction par la théorie traditionnelle en raison de la longueur de couche de diffusion comparable. Par conséquent, une nouvelle méthodologie d'optimisation de la cinétique de catalyseurs donnés reste urgente pour maximiser les performances électrocatalytiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont proposé une approche MCE impliquant l'optimisation du processus de catalyseur.

Ils ont sélectionné des nanotubes de platine (Pt NT) comme catalyseur modèle, utilisé un assemblage d'interface air-liquide et une gravure électrochimique in situ pour construire un canal 3D ordonné et réticulé idéal, et utilisé MOR comme réaction modèle pour tester les performances électrocatalytiques du 3DOC. Les résultats des mesures ont indiqué qu'il existe une taille de canal optimale de 3DOC pour MOR.

Outre, sur la base de la fonction de densité d'énergie libre de la surface de l'électrode, les chercheurs ont établi un modèle cinétique complet couplant la réaction de surface et le transfert de masse pour réguler avec précision la cinétique et optimiser les performances du MOR. Les résultats ont montré que l'augmentation de la taille du canal de 3DOC a favorisé le transfert de masse de l'électrolyte en vrac sur la surface du catalyseur, et affaibli le flux d'électrons vertical de la réaction dans 3DOC.

Cette compétition entre le transfert de masse et la réaction de surface a conduit à la meilleure performance MOR sur 3DOC avec une taille spécifique. Sous la taille de canal optimisée, le transfert de masse et la réaction de surface dans le microréacteur canalisé étaient tous deux bien régulés.

Cette optimisation structurelle, différent de la conception traditionnellement thermodynamique du catalyseur, assure une augmentation significative des performances électrocatalytiques hétérogènes. En utilisant le transfert de masse proposé par MCE et la réaction de surface, l'optimisation cinétique en électrocatalyse peut être réalisée. Cette stratégie MCE entraînera un bond en avant dans la conception de catalyseurs structurés et la modulation cinétique.