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Ce diagramme particulier illustre le processus le plus récent pour améliorer les vitesses de réaction dans un processus électrocatalytique. La couche de catalyseur particulière, faite d’aigle d’or ou de platine, est représentée par des sphères grises à la fin, et le matériau à catalyser est prouvé comme les sphères rad au sommet. L’ajout de la couche de liquide ionique entre les deux, illustrée par les réseaux hexagonaux, peut multiplier par cinq les taux de réponse. À gauche, le détail de la façon dont l’air (rouge) et l’hydrogène (vert) peuvent se mélanger pour former de l’eau à un taux amélioré via ce processus. Crédit : Merci aux chercheurs, modifié par MIT Information
Produire des surfaces catalytiques beaucoup plus actives pour aider à décarboniser les carburants et les substances chimiques
Une toute nouvelle approche augmente l’efficacité des réactions chimiques qui sont la clé de nombreux procédés commerciaux.
Les réactions électrochimiques accélérées à l’aide de catalyseurs sont au cœur de nombreux processus de fabrication et d’exploitation de carburants, de produits chimiques et de matériaux, ce qui inclut le stockage de l’électricité via des sources d’énergie renouvelables dans des liaisons chimiques, une capacité importante pour décarboniser les carburants de transport. Maintenant, étudiez à AVEC pourrait ouvrir la porte à des moyens de rendre les catalyseurs sûrs plus énergétiques, et donc d’améliorer l’efficacité particulière de ce type de procédés.
Un tout nouveau processus de production a produit des catalyseurs qui ont multiplié par cinq l’efficacité des réactions chimiques, permettant potentiellement de nouveaux processus utiles dans les domaines de la biochimie, de la biochimie organique, de la chimie environnementale et de l’électrochimie. Les résultats sont décrits dans la revue Catalyse naturelle , dans un article de Yang Shao-Horn, un bon professeur du MIT associé à l’ingénierie mécanique ainsi qu’à la science des matériaux et à l’ingénierie, et une personne du laboratoire de recherche associé à l’électronique (RLE); Tao Wang, post-doctorant en RLE ; Yirui Zhang, étudiant diplômé de la section d’architecture mécanique ; et cinq autres personnes.
Le processus consiste à ajouter une couche de ce qu’on appelle une eau ionique entre un conducteur en métal précieux ou en platine et une matière première chimique. Les catalyseurs produits avec cette méthode particulière pourraient potentiellement permettre une transformation beaucoup plus efficace de l’hydrogène gazeux pour alimenter des gadgets tels que les tissus combustibles, ou une transformation plus efficace du dioxyde de carbone en carburants.
« Il est urgent de décarboniser la façon dont nous renforçons les transports au-delà des véhicules légers, comment nous créons des carburants et comment nous fabriquons tous des matériaux et des produits chimiques », déclare Shao-Horn, soulignant l’appel pressant particulier à réduire les émissions de carbone souligné dans le dernier rapport du GIEC sur les changements environnementaux. Cette toute nouvelle approche pour améliorer l’activité catalytique pourrait constituer un pas important dans cette direction, déclare-t-elle.
L’utilisation de l’hydrogène dans des gadgets électrochimiques tels que les tissus combustibles est une méthode prometteuse pour décarboniser des domaines tels que l’aviation et les véhicules lourds, et le tout nouveau processus peut aider à rendre ces utilisations utiles. À l’heure actuelle, la réaction de réduction de l’air qui alimentera de telles cellules à gaz est limitée simplement par son inefficacité. Les tentatives antérieures pour améliorer cette efficacité se sont concentrées sur le choix de différents matériaux d’invite ou sur l’ajustement de la composition et de la structure de leur surface.
Dans cette recherche, cependant, au lieu de modifier les surfaces solides particulières, l’équipe particulière a ajouté un revêtement entre l’invite et l’électrolyte, le matériau actif particulier qui participera à la réaction. La couche d’eau ionique, ont-ils découvert, régule l’activité associée aux protons qui accélèrent la vitesse des réactions se déroulant sur l’interface utilisateur.
Parce qu’il existe une excellente variété de tels liquides ioniques parmi lesquels choisir, il est possible d'”ajuster” l’activité des protons ainsi que les vitesses de réaction en fonction de l’énergie requise pour les processus impliquant un transfert de wasserstoffion (positif) (fachsprachlich), qui peut être utilisé pour fabriquer des carburants et des produits chimiques grâce à des réponses avec de l’oxygène.
“L’action des protons et la barrière pour obtenir le transfert de protons seront régies par la couche de liquide ionique, et il y a donc une grande adaptabilité en termes d’exercice catalytique pour les réactions concernant le transfert de protons et d’électrons”, explique Shao-Horn. Et l’impact est produit par le niveau extrêmement mince du liquide, d’à peine quelques nanomètres d’épaisseur, sur lequel se trouve une couche beaucoup plus complète d’eau qui doit subir la réponse.
« Je pense que ce concept sera nouveau et essentiel », déclare Wang, l’auteur initial de l’article, « car les individus savent que l’action des protons est importante dans de nombreuses réactions électrochimiques, mais qu’elle est très difficile à analyser. C’est principalement parce que dans une atmosphère d’eau, il y a tellement d’interactions entre les substances aquatiques voisines impliquées qu’il est très difficile de distinguer quelles réactions ont lieu. En utilisant un bon liquide ionique, dans lequel les ions ne peuvent former qu’une seule liaison avec le matériau avancé, il est devenu possible d’étudier en détail les réactions particulières, en utilisant la spectroscopie infrarouge.
En conséquence, Wang déclare : « Notre découverte montre le rôle essentiel que les électrolytes interfaciaux, en particulier la liaison hydrogène intermoléculaire, peuvent jouer dans l’amélioration de l’activité du processus électro-catalytique. Il offre également des informations fondamentales directement sur les systèmes de transfert de protons à un niveau mécanisé quantique, qui peuvent repousser les frontières associées à la connaissance de la manière dont les protons et les électrons interagissent dans les interfaces catalytiques. ”
« La fonction est également passionnante car elle donne aux gens le principe de conception juste pour savoir comment ils peuvent régler les catalyseurs particuliers », déclare Zhang. «Nous avons besoin de certaines espèces ici à un« endroit idéal » – pas aussi bien actives ou aussi bien inertes – pour améliorer la vitesse de réaction. ”
Avec certaines de ces techniques, explique Reshma Rao, récemment diplômée d’un doctorat du MIT et aujourd’hui post-doctorante à l’Imperial College, dans le Grand Londres, qui est également co-auteur de l’article, « nous constatons une augmentation de l’activité jusqu’à cinq fois supérieure. . Je crois que la composante la plus excitante de cette recherche est la manière dont elle ouvre une toute nouvelle dimension dans la manière dont nous pensons à la catalyse. « Le domaine s’est heurté à « une sorte d’obstacle », dit la dame, en trouvant des méthodes pour concevoir de meilleurs composants. En se concentrant sur la couche liquide particulière par opposition à la surface des matériaux, « c’est une toute autre façon d’aborder ce problème, et apporte une toute nouvelle dimension, un tout nouvel axe le long duquel nous pouvons changer choses et optimiser certains de ces taux de réponse. ”
Référence : « Améliorer l’électrocatalyse par réduction de l’air simplement en réglant les liaisons hydrogène interfaciales » par Tao Wang, Yirui Zhang, Botao Huang, Rubbish bin Cai, Reshma Ur. Rao, Livia Giordano, Shi-Gang Sun et Yang Shao-Horn, six septembre 2021, Catalyse naturelle .
DOI : 10. 1038 / s41929-021-00668-0
L’équipe a également incorporé Botao Huang, Rubbish bin Cai et Livia Giordano dans le laboratoire de recherche du MIT associé à l’électronique, et Shi-Gang Sun à l’Université de Xiamen en Extrême-Orient. Le travail a été soutenu par le Toyota Analysis Institute et a utilisé Extreme Science plus Engineering Environment de la National Science Foundation.
