Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society l'équipe a utilisé la spectroscopie pour révéler comment les espèces chimiques impliquées dans la réaction de dégagement d'oxygène (REL) catalysée par l'oxyde d'iridium interagissent avec la solution qui les entoure.

Les REL sont importantes dans de nombreux processus d'énergie propre, tels que la transformation du dioxyde de carbone en carburants liquides utilisables et la génération d'hydrogène vert à partir de l'électrolyse de l'eau. Ces deux processus seront cruciaux dans un avenir sans combustibles fossiles. Par conséquent, une compréhension approfondie des REL constitue un objectif de recherche important.

Les processus catalytiques peuvent être complexes avec diverses espèces intermédiaires impliquées dans le passage du matériau de départ au produit souhaité. Les techniques Operando permettent d'étudier ces intermédiaires par spectroscopie pendant la réaction, offrant ainsi une fenêtre sur ce qui se passe réellement.

À l'aide d'une électrode dotée d'une surface en oxyde d'iridium, les chercheurs ont étudié l'oxydation des molécules d'eau dans des solutions présentant différentes valeurs de pH.

"L'interaction entre la surface de l'électrode et les intermédiaires oxygénés est la clé de l'efficacité des REL, c'est pourquoi l'optimisation du matériau du catalyseur a généralement été au centre des préoccupations", explique l'auteur principal Reshma R. Rao de l'Imperial College de Londres.

"Cependant, les observations à ce jour ont laissé des questions sans réponse, nous avons donc examiné de plus près le côté solution de l'interface en utilisant la spectroscopie operando UV-Vis, la spectroscopie d'absorption des rayons X et la spectroscopie infrarouge améliorée en surface."

Pour obtenir une réaction efficace, la liaison des intermédiaires de réaction à l'électrode doit être parfaite pour permettre aux intermédiaires d'interagir avec l'électrode, mais pas être si forte qu'ils restent collés à l'électrode et ne peuvent pas réagir. Les chercheurs ont découvert que la liaison était contrôlée par des interactions à longue portée entre les intermédiaires à travers la solution et que cela dépendait du pH.

Dans des conditions alcalines, l'eau proche de l'électrode a influencé les interactions à longue distance entre les espèces oxygénées, ce qui a affecté leur liaison à la surface. Ainsi, bien que les intermédiaires se lient plus fortement à un pH plus élevé, les interactions facilitées par l'eau interfaciale déstabilisent les espèces oxygénées et permettent à la réaction d'avoir lieu.

"L'utilisation de la spectroscopie operando et de techniques complémentaires pour observer directement les espèces impliquées nous a permis d'élargir la compréhension des performances du catalyseur au-delà de la liaison des électrodes", explique l'auteur principal Yu Katayama. "Nous pensons qu'une telle connaissance sera la clé pour optimiser la cinétique des REL."

Les résultats contribueront à accroître l’efficacité de l’oxydation de l’eau pour la production d’hydrogène vert. De plus, combiner la spectroscopie operando avec des techniques complémentaires peut être utile pour comprendre la catalyse de nombreux autres processus.