C'est une expérience scolaire bien connue :appliquer une tension entre deux électrodes insérées dans l'eau produit de l'hydrogène moléculaire et de l'oxygène. Les chercheurs cherchent à rendre la séparation de l'eau aussi économe en énergie que possible pour faire progresser les applications industrielles. Le matériau de l'électrode et sa qualité de surface sont des aspects cruciaux qui déterminent l'efficacité de la division. En particulier, des aspérités de quelques nanomètres seulement, appelés centres réactifs, déterminer la réactivité électrochimique d'une électrode.

Les méthodes d'investigation précédentes n'étaient pas assez précises pour suivre les réactions chimiques se déroulant à de tels centres réactifs sur la surface de l'électrode avec une résolution spatiale suffisante dans des conditions de fonctionnement réelles, c'est à dire., dans une solution d'électrolyte à température ambiante et avec une tension appliquée. Une équipe de scientifiques dirigée par le Dr Katrin Domke au MPI-P a maintenant développé une méthode avec laquelle les premières étapes de la séparation électrocatalytique de l'eau sur une surface d'or pourraient être étudiées pour la première fois avec une résolution spatiale de moins de 10 nm sous des conditions de fonctionnement.

"Nous avons pu montrer expérimentalement que les surfaces avec des protubérances de l'ordre du nanomètre divisent l'eau d'une manière plus économe en énergie que les surfaces planes, ", dit Katrin Domke. "Avec nos images, nous pouvons suivre l'activité catalytique des centres réactifs pendant les étapes initiales de la séparation de l'eau."

Les chercheurs ont combiné différentes techniques :En spectroscopie Raman, les molécules sont éclairées par la lumière qu'elles diffusent. Le spectre de la lumière diffusée contient des informations qui fournissent une empreinte chimique de la molécule, permettant l'identification d'espèces chimiques. Cependant, La spectroscopie Raman ne produit généralement que des signaux très faibles et moyennés dans l'espace sur des centaines ou des milliers de nanomètres.

Pour cette raison, les chercheurs ont combiné la technique Raman avec la microscopie à effet tunnel. En scannant une pointe en or nanométrique éclairée par une lumière laser sur la surface à l'étude, le signal Raman est amplifié de plusieurs ordres de grandeur directement au sommet de la pointe, qui agit comme une antenne. Ce fort effet d'amélioration permet l'étude de molécules isolées. Par ailleurs, la focalisation serrée de la lumière par la pointe conduit à une résolution optique spatiale inférieure à dix nanomètres. Notamment, l'appareil peut fonctionner dans des conditions de fonctionnement électrocatalytiques réalistes.

« Nous avons pu montrer que lors de la division de l'eau à des endroits rugueux du nanomètre, c'est-à-dire centres réactifs - deux oxydes d'or différents sont formés qui pourraient représenter des intermédiaires importants dans la séparation de l'atome d'oxygène des atomes d'hydrogène, " dit Domke. Les chercheurs ont obtenu des informations plus précises sur les processus qui se déroulent à l'échelle nanométrique sur des surfaces réactives, ce qui pourrait faciliter la conception d'électrocatalyseurs plus efficaces à l'avenir qui nécessitent moins d'énergie pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène.

Les scientifiques ont publié leurs résultats dans la revue Communication Nature .