Les réactions électrochimiques sont au cœur des transitions vertes. Ces réactions utilisent le courant électrique et la différence de potentiel pour effectuer des réactions chimiques, ce qui permet de lier et de réaliser de l'énergie électrique à partir de liaisons chimiques. Cette chimie est à la base de plusieurs applications, telles que la technologie de l'hydrogène, les batteries et divers aspects de l'économie circulaire.
Les développements et améliorations de ces technologies nécessitent une connaissance détaillée des réactions électrochimiques et des différents facteurs qui les influencent. Des études récentes ont montré qu'outre le matériau de l'électrode, le solvant utilisé, son acidité et les ions électrolytes utilisés ont un impact crucial sur l'efficacité des réactions électrochimiques.
Par conséquent, l'attention s'est récemment portée sur l'étude de l'impact des interfaces électrochimiques, par exemple l'environnement de réaction au niveau de l'électrode et de l'interface électrolytique, sur le résultat des réactions électrochimiques.
Comprendre la chimie des interfaces en utilisant uniquement des méthodes expérimentales est extrêmement difficile car elles sont très fines, seulement une fraction de nanomètre. Les aspects informatiques et théoriques sont donc cruciaux car ils fournissent un moyen précis d'étudier les interfaces électrochimiques au niveau atomique et en fonction du temps.
Le développement à long terme de méthodes et de théories au Département de chimie de l'Université de Jyväskylä (Finlande) a permis une nouvelle compréhension de la chimie des interfaces électrochimiques, en particulier des effets des ions électrolytes.
"Nos deux articles de recherche récents se sont concentrés sur les effets des ions électrolytes dans les réactions de réduction de l'oxygène et du dioxyde de carbone, qui déterminent l'efficacité des piles à combustible, la synthèse du peroxyde d'hydrogène et la conversion du dioxyde de carbone en produits chimiques et carburants neutres en carbone", explique le rapport. Marko Melander, chercheur à l'Académie de Finlande, du Département de chimie de l'Université de Jyväskylä.
Combiner les résultats expérimentaux et informatiques
Des chercheurs de l'Université de Jyväskylä ont collaboré avec des groupes expérimentaux et informatiques pour comprendre les effets des électrolytes. Le travail a été récemment publié dans la revue Nature Communications. et Angewandte Chemie International Edition .
"Dans les deux études, nous nous sommes concentrés sur les propriétés fondamentales et la recherche, ce qui a nécessité le recours à des méthodes expérimentales très précises et exigeantes, ainsi que leur combinaison avec les dernières méthodes de simulation. Par exemple, nous avons pu, pour la première fois, combiner des expériences et des simulations des effets isotopiques cinétiques de la mécanique quantique de l'hydrogène pour comprendre la réaction de réduction de l'oxygène. Nous avons également développé et appliqué des méthodes informatiques avancées pour simuler la réorganisation des solutions électrolytiques aqueuses afin d'obtenir un aperçu détaillé de leur effet conjoint sur le mécanisme de réaction », explique Melander. .
Cette recherche fournit une image atomistique de l’impact des électrolytes sur les réactions électrochimiques. Un mécanisme identifié est la formation de liaison entre un ion et la molécule qui réagit.
"Nous avons pu montrer que les ions contrôlent la structure et la dynamique de la surface de l'électrode et de l'eau interfaciale par le biais d'interactions non covalentes. Ces interactions plutôt faibles déterminent ensuite la voie, la vitesse et la sélectivité de la réaction, et contrôlent donc l'activité. et le résultat des réactions électrochimiques", explique Melander.
Bien que cette recherche se concentre sur les aspects fondamentaux des systèmes électrochimiques, elle peut améliorer le développement de technologies électrochimiques améliorées.
"L'utilisation des effets des ions et des solvants peut fournir un moyen d'adapter la réactivité et la sélectivité des réactions électrochimiques. Par exemple, l'électrolyte peut être utilisé pour diriger la réaction de réduction de l'oxygène vers des piles à combustible ou des applications de synthèse de peroxyde d'hydrogène. La chimie de l'électrolyte est également un moyen efficace d'orienter la réduction du dioxyde de carbone vers les produits recherchés et précieux", déclare Melander.
Plus d'informations : Xueping Qin et al, Modifications induites par les cations dans les mécanismes des sphères interne et externe de la réduction électrocatalytique du CO2, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43300-4
Tomoaki Kumeda et al, Les cations déterminent le mécanisme et la sélectivité de la réaction alcaline de réduction de l'oxygène sur le Pt(111)**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI :10.1002/anie.202312841
Informations sur le journal : Angewandte Chemie International Edition , Communications naturelles
Fourni par l'Université de Jyväskylä
