Les réactions électrochimiques accélérées à l'aide de catalyseurs sont au cœur de nombreux procédés de fabrication et d'utilisation des carburants, produits chimiques, et des matériaux, y compris le stockage de l'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables dans des liaisons chimiques, une capacité importante pour la décarbonisation des carburants de transport. Maintenant, les recherches du MIT pourraient ouvrir la porte à des pistes pour rendre certains catalyseurs plus actifs, et ainsi améliorer l'efficacité de ces processus.

Un nouveau procédé de production a donné des catalyseurs qui ont multiplié par cinq l'efficacité des réactions chimiques, permettant potentiellement de nouveaux processus utiles en biochimie, chimie organique, chimie environnementale, et électrochimie. Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Catalyse naturelle , dans un article de Yang Shao-Horn, un professeur MIT de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux, et membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE); Tao Wang, un post-doctorat en RLE; Yirui Zhang, un étudiant diplômé du Département de génie mécanique; et cinq autres.

Le processus consiste à ajouter une couche de ce qu'on appelle un liquide ionique entre un catalyseur d'or ou de platine et une matière première chimique. Les catalyseurs produits avec cette méthode pourraient potentiellement permettre une conversion beaucoup plus efficace du carburant hydrogène pour alimenter des dispositifs tels que des piles à combustible, ou une conversion plus efficace du dioxyde de carbone en carburants.

« Il est urgent de décarboniser la façon dont nous propulsons les transports au-delà des véhicules légers, comment nous fabriquons des carburants, et comment nous fabriquons des matériaux et des produits chimiques, " dit Shao-Horn, soulignant l'appel pressant à réduire les émissions de carbone mis en évidence dans le dernier rapport du GIEC sur le changement climatique. Cette nouvelle approche de l'amélioration de l'activité catalytique pourrait constituer un pas important dans cette direction, elle dit.

L'utilisation de l'hydrogène dans des dispositifs électrochimiques tels que les piles à combustible est une approche prometteuse pour décarboniser des domaines tels que l'aviation et les véhicules lourds, et le nouveau processus peut aider à rendre ces utilisations pratiques. Maintenant, la réaction de réduction de l'oxygène qui alimente de telles piles à combustible est limitée par son inefficacité. Les tentatives précédentes pour améliorer cette efficacité se sont concentrées sur le choix de différents matériaux catalytiques ou sur la modification de leurs compositions de surface et de leur structure.

Dans cette recherche, cependant, au lieu de modifier les surfaces solides, l'équipe a ajouté une fine couche entre le catalyseur et l'électrolyte, la matière active qui participe à la réaction chimique. La couche liquide ionique, ils ont trouvé, régule l'activité des protons qui contribuent à augmenter la vitesse des réactions chimiques se déroulant à l'interface.

Parce qu'il existe une grande variété de tels liquides ioniques parmi lesquels choisir, il est possible d'"ajuster" l'activité des protons et les vitesses de réaction pour correspondre à l'énergie nécessaire aux processus impliquant le transfert de protons, qui peut être utilisé pour fabriquer des carburants et des produits chimiques grâce à des réactions avec l'oxygène.

"L'activité protonique et la barrière pour le transfert de protons sont régies par la couche de liquide ionique, et il y a donc une grande adaptabilité en termes d'activité catalytique pour les réactions impliquant le transfert de protons et d'électrons, " dit Shao-Horn. Et l'effet est produit par une fine couche de liquide, à peine quelques nanomètres d'épaisseur, au-dessus duquel se trouve une couche beaucoup plus épaisse du liquide qui doit subir la réaction.

"Je pense que ce concept est nouveau et important, " dit Wang, le premier auteur de l'article, "parce que les gens savent que l'activité des protons est importante dans de nombreuses réactions électrochimiques, mais c'est très difficile à étudier." C'est parce que dans un environnement aquatique, il y a tellement d'interactions entre les molécules d'eau voisines impliquées qu'il est très difficile de distinguer quelles réactions ont lieu. En utilisant un liquide ionique, dont les ions ne peuvent former chacun qu'une seule liaison avec le matériau intermédiaire, il est devenu possible d'étudier les réactions en détail, utilisant la spectroscopie infrarouge.

Par conséquent, Wang dit, "Notre découverte met en évidence le rôle essentiel des électrolytes interfaciaux, en particulier la liaison hydrogène intermoléculaire, peut jouer dans l'amélioration de l'activité du processus électrocatalytique. Il fournit également des informations fondamentales sur les mécanismes de transfert de protons au niveau de la mécanique quantique, qui peut repousser les frontières de la connaissance de l'interaction des protons et des électrons aux interfaces catalytiques."

« Le travail est également passionnant car il donne aux gens un principe de conception sur la façon dont ils peuvent régler les catalyseurs, ", dit Zhang. "Nous avons besoin de certaines espèces à un "point idéal" - ni trop actif ni trop inerte - pour améliorer la vitesse de réaction. "

Avec certaines de ces techniques, dit Reshma Rao, un récent doctorat du MIT et maintenant un post-doctorat à l'Imperial College, Londres, qui est également co-auteur de l'article, "Nous constatons une augmentation de l'activité jusqu'à cinq fois. Je pense que la partie la plus excitante de cette recherche est la façon dont elle ouvre une toute nouvelle dimension dans la façon dont nous pensons à la catalyse." Le terrain avait heurté « une sorte de barrage routier, " elle dit, à trouver des moyens de concevoir de meilleurs matériaux. En se concentrant sur la couche liquide plutôt que sur la surface du matériau, "c'est une toute autre façon de voir ce problème, et ouvre une toute nouvelle dimension, un tout nouvel axe le long duquel nous pouvons changer les choses et optimiser certaines de ces vitesses de réaction."