En collaboration avec des chercheurs des États-Unis, de Chine et des Pays-Bas, le Dr Zhenhua Zeng et le professeur Jeffrey Greeley de la Davidson School of Chemical Engineering ont fait progresser la recherche sur la catalyse et la conception de catalyseurs grâce à leur exploration de sites actifs.
Leurs résultats offrent non seulement des perspectives précieuses sur les études antérieures sur la réactivité catalytique et les sites actifs, mais prévoient également le développement de nouveaux catalyseurs aux performances considérablement améliorées.
L’utilisation de catalyseurs hétérogènes dans les réactions chimiques est répandue, étant entendu qu’une activité catalytique élevée ne se produit que sur des sites de surface spécifiques. "La détermination de la structure moléculaire des sites actifs catalytiques est un objectif central et de longue date de la science de la catalyse. Les recherches actuelles identifient et classent ces sites actifs à travers des motifs de surface distincts, tels que des marches et des terrasses.
"Cette catégorisation simplifie souvent à l'extrême la complexité de l'identification des sites actifs, ce qui peut conduire à une classification incertaine des sites actifs et à des prédictions incorrectes de l'activité catalytique. Ainsi, cette identification erronée entrave les opportunités de conception de catalyseurs", a déclaré le professeur Greeley.
Publié dans Nature , l'article "Réactivité spécifique au site des surfaces de Pt étagées entraînée par la libération de contraintes" révèle une solution à la catégorisation trop simpliste :la réactivité spécifique au site atomique entraînée par la libération des contraintes de surface, qui a souvent été négligée dans le processus de classification actuel.
"Cette étude démontre l'existence d'une classe fondamentalement nouvelle de sites actifs, composée de diverses structures de surface couplées à des champs de contraintes et de déformations étendus à la surface du catalyseur, qui pourraient conduire à de nouveaux catalyseurs passionnants pour les piles à combustible et les dispositifs électrochimiques associés", a déclaré Greeley. .
En utilisant comme exemples des surfaces étagées de Pt(111) et la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) dans les piles à combustible, l'article montre que la libération des contraintes de surface produit des champs de déformation inhomogènes, conduisant à des structures électroniques distinctes et à une réactivité pour les atomes de terrasse avec une coordination locale identique.
De plus, les atomes de la terrasse entourant les marches peuvent subir une amélioration jusqu'à 50 fois supérieure à celle des atomes au centre de la terrasse, ce qui entraîne une activité ORR plus élevée ou plus faible dans certaines zones de la terrasse. Les chercheurs ont conclu que la capacité de contrôler la réactivité de l'ORR en modifiant la largeur des terrasses ou en régulant les contraintes externes ouvre de nouvelles portes pour la conception de catalyseurs.
"Nos travaux remettent en question l'hypothèse conventionnelle d'une réactivité uniforme entre des sites atomiques avec des environnements locaux identiques, révélant une réactivité distincte induite par des imperfections même mineures", a déclaré Zeng.
"Cet article fournit des informations à l'échelle atomique sur les sites actifs des surfaces de platine étagées, en se concentrant particulièrement sur leur rôle dans les piles à combustible à hydrogène. Cette compréhension fondamentale fournit non seulement des informations convaincantes sur les expériences précédentes, mais prédit également de nouveaux catalyseurs aux performances considérablement améliorées. "
Les résultats générés par cette recherche offrent une nouvelle perspective à travers laquelle les chercheurs envisagent les sites atomiques catalytiquement actifs et les principes régissant la conception de catalyseurs hétérogènes.
Le collaborateur, le professeur Marc Koper de l'Université de Leiden a déclaré :« Ce travail est un bel exemple de la façon dont une collaboration dédiée entre des calculs et des expériences de haute qualité peut apporter un aperçu unique sur un problème de longue date dans l'électrocatalyse de surface, à savoir comment et si la déformation de surface locale peut influencer la réactivité chimique. Je suis ravi d'avoir participé à cet effort de collaboration."
Plus d'informations : Guangdong Liu et al, Réactivité spécifique au site des surfaces de platine étagées entraînée par la libération des contraintes, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07090-z
Fourni par l'Université Purdue
