Le comportement des ions chargés positivement et négativement à l'interface entre une surface solide et une solution aqueuse a été étudié par des chercheurs du pôle d'excellence RESOLV de la Ruhr-Universität Bochum, de son réseau de recherche jumeau CALSOLV à Berkeley et de l'université d'Evry à Paris. Au synchrotron SOLEIL, ils ont pu utiliser la spectroscopie térahertz pour observer exactement quand et comment les coquilles d'eau autour des ions sodium et chlorure sont éliminées lorsque des tensions sont appliquées dans une solution d'électrolyte. Ils décrivent leurs résultats dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences , ou PNAS, mis en ligne le 15 novembre 2021.

Double couche électrochimique entre électrolyte et interface solide

Les électrolytes sont des composés chimiques dans lesquels se produisent des ions séparés. Par exemple, lorsque le chlorure de sodium (NaCl) est dissous dans l'eau, les ions sodium chargés positivement et les ions chlorure chargés négativement se séparent et peuvent se déplacer librement dans la solution. En raison de l'attraction électrique entre les ions et les molécules d'eau, une coquille de molécules d'eau se forme autour des ions individuels - une coquille dite d'hydratation qui est stable dans la solution. Une couche de porteurs de charge se forme au voisinage immédiat de la couche limite électrique entre l'électrode et l'eau. Une couche de charge positive et une couche de charge négative se font face, c'est pourquoi cette couche est également appelée double couche électrochimique. Selon les manuels de chimie, ce qui suit se produit lorsqu'une tension est appliquée :l'attraction entre l'électrode et les ions enlève la coquille d'eau et un transfert de charge, un courant, se produit.

Cette image simple explique le fonctionnement d'une batterie. Dans le présent travail, les chercheurs de Bochum, Berkeley et Paris ont cherché à savoir s'il est également correct au niveau moléculaire. Ils ont également vérifié si le processus est identique lorsque des tensions négatives ou positives sont appliquées en alternance.

L'observation pendant le processus est difficile

Observer les processus chimiques au niveau moléculaire lorsqu'une tension est appliquée est un défi expérimental particulier. C'est exactement ce que les scientifiques ont réussi à faire dans l'étude actuelle avec la spectroscopie térahertz, qu'ils ont combinée avec des simulations. Pour cela, les chercheurs ont étudié la double couche électrochimique qui se forme dans une solution de NaCl à proximité immédiate d'une surface d'or au synchrotron SOLEIL à Paris.

La spectroscopie térahertz permet de suivre en direct le décapage de la coquille d'hydratation. Les chercheurs ont également montré pour la première fois comment les réseaux d'eau changent à la surface de l'or chargé. Ceci est essentiel pour comprendre comment l'énergie totale change dans le processus. "C'était étonnant pour nous de voir que le processus se déroule différemment pour les charges positives et négatives", résume le professeur Martina Havenith, porte-parole du RESOLV.

Détachement asymétrique de la coque d'hydratation

Les chercheurs ont découvert que les coquilles d'hydratation des ions sodium et chlorure se comportaient différemment dans la double couche électrochimique. La coquille d'hydratation des ions chargés positivement était déjà détachée à de faibles tensions appliquées et l'ion sodium était attiré par l'électrode. Pour les ions chlorure chargés négativement, cela ne s'est produit qu'à une tension appliquée plus élevée. L'équipe a pu attribuer ces différences au comportement des réseaux d'eau à l'interface. Les scientifiques ont confirmé les résultats à l'aide de simulations informatiques complexes.

"La méthode et les résultats peuvent maintenant être utilisés pour étudier le rôle crucial de l'eau dans d'autres processus interfaciaux, par exemple aux interfaces semi-conducteur/électrolyte", explique Martina Havenith. Les résultats sont importants pour comprendre et optimiser les processus électrochimiques, par exemple pour des applications technologiques telles que les technologies de cellules solaires ou de piles à combustible.