Le réarrangement atomique modifie les propriétés physiques et chimiques d'un matériau, ce qui peut conduire à des applications potentielles dans toutes les disciplines, y compris dans le domaine de l'énergie durable. Avec deux décennies d'attention concentrée sur la façon dont la régulation de ces réarrangements - un processus appelé ingénierie de phase - peut permettre des processus de conversion d'énergie durables, des chercheurs en Chine ont résumé les travaux jusqu'à présent, y compris comment le domaine pourrait progresser.

Ils ont publié leur avis le 11 juillet dans Nano Research , avec un accent particulier sur les électrocatalyseurs. Ces matériaux déclenchent, améliorent ou résolvent les réactions chimiques et électriques impliquées dans la conversion de l'énergie en formats stockables ou utilisables. Ils servent souvent d'électrode ou de composant d'électrode.

"L'ingénierie de phase est une stratégie importante pour concevoir des électrocatalyseurs efficaces vers ces conversions d'énergie, car elle permet à tous les atomes catalytiquement actifs de se réorganiser et de former de nouveaux réseaux", a déclaré l'auteur co-correspondant Xiaoxin Zou, professeur au State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry. , Collège de chimie, Université de Jilin. "Cela offre une excellente opportunité de manipuler rationnellement les atomes pour découvrir des cadres structurels attrayants et obtenir une meilleure électrocatalyse. Et tandis que, ces dernières années, plusieurs chercheurs ont résumé la préparation de nanomatériaux avec de nouveaux arrangements, il s'agit de la première revue systématique visant à rationaliser la façon dont ces phases influencent l'activité électrocatalytique."

Ces divers arrangements atomiques sont appelés phases cristallines. En changeant la façon dont les atomes sont disposés à la surface d'un matériau solide, ou dans sa masse, on peut changer radicalement ce que le matériau peut faire. Zou a noté, cependant, que la surface est essentiellement une extension de la masse et ne peut pas exister indépendamment, de sorte que leur connexion est essentielle pour développer des électrocatalyseurs souhaitables et stables.

"La logique sous-jacente de l'ingénierie des phases réside dans une relation intime entre les propriétés de la surface et de la masse d'un catalyseur", a déclaré Zou. "L'ingénierie de la phase brute d'un catalyseur, qui influence directement la surface, est une stratégie puissante pour concevoir des catalyseurs intelligents à la fois en interne et en externe."

La structure cristalline de la masse détermine la structure électronique du matériau, sa conductivité et, en grande partie, la composition de la couche superficielle. Différentes structures cristallines en vrac possèdent des caractéristiques et des énergies de surface différentes, conduisant à une morphologie diversifiée et à des sites catalytiquement actifs. Même pour les catalyseurs qui subissent des dommages de surface importants ou une reconstruction pendant le processus de catalyse, a déclaré Zou, la structure cristalline initiale de la masse influence fortement la reconstitution et la structure finale de la surface.

Au cours des 20 dernières années, plusieurs chercheurs ont étudié cette relation, exploré des phases électrocatalytiques non conventionnelles et comment induire de telles transformations. Poussés par la demande de processus de conversion d'énergie durables, tels que la fixation de l'azote et la réduction du dioxyde de carbone, les chercheurs ont perfectionné les techniques de caractérisation, ainsi que la théorie sous-jacente aux travaux expérimentaux.

"Ces choses ont permis de comprendre avec précision et exactitude les effets des phases cristallines sur les performances électrocatalytiques", a déclaré Zou. "Il est donc temps de résumer les recherches liées à l'ingénierie des phases qui aident à démêler les relations phase-performance et à affiner la prédiction dans les études d'électrocatalyse."

Ensuite, Zou et son équipe recommandent aux chercheurs de poursuivre quatre domaines principaux pour faire progresser l'ingénierie de la phase cristalline pour la recherche en catalyse.

"Pour développer des catalyseurs compétents pour différents processus de conversion d'énergie à partir d'une phase, nous proposons d'explorer la relation entre la phase cristalline et les niveaux d'activité catalytique ; combiner l'ingénierie de phase avec d'autres stratégies de conception ; démêler les mécanismes de formation et d'évolution des phases non conventionnelles ; et enrichir les catalyseurs recherche de phases plus fluides », a déclaré Zou. + Explorer plus loin

Explorer comment les surfaces changent au contact de phases gazeuses réactives dans différentes conditions