Nouvelle percée : secrets atomiques des catalyseurs révélés par une technologie révolutionnaire

ParisDes scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory ont mis au point une nouvelle méthode pour étudier les processus électrochimiques à l'échelle atomique. Leur technique permet de mieux comprendre le fonctionnement des catalyseurs courants. Ils ont introduit un dispositif appelé cellule liquide polymère (PLC), qui permet aux chercheurs de geler les réactions et de les observer à différents stades.

Les réactions électrochimiques sont essentielles pour :

• Les batteries
• Les piles à combustible
• L'électrolyse
• La production de carburant à l'énergie solaire
• Les processus biologiques tels que la photosynthèse

Le PLC peut collaborer avec la microscopie électronique en transmission (MET) pour observer précisément les réactions à l'échelle atomique. Cette technologie pourrait améliorer diverses technologies électrochimiques.

L'équipe du Berkeley Lab a expérimenté leur méthode sur un catalyseur en cuivre. Ces catalyseurs peuvent transformer le dioxyde de carbone en produits chimiques comme le méthanol, l'éthanol et l'acétone. Les essais ont révélé des changements surprenants à l'interface entre le solide et le liquide pendant la réaction.

Les chercheurs du Berkeley Lab ont utilisé des microscopes de pointe pour observer les mouvements des atomes de cuivre lorsqu'ils se mélangent avec des atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène provenant d'une solution liquide. Ils ont constaté que ce mélange forme une couche qui n'est ni entièrement solide, ni totalement liquide. Cette couche disparaît lorsque le courant électrique est coupé, et les atomes de cuivre retournent à leur position initiale.

Apprendre davantage sur cette couche intermédiaire mystérieuse peut permettre de développer de meilleurs catalyseurs et des systèmes plus durables. Comprendre comment les catalyseurs se dégradent est crucial pour apporter des améliorations.

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Cette cellule liquide nous permet d'observer en temps réel ce qui se passe à l'interface entre le solide et le liquide pendant les réactions. Nous pouvons voir comment les atomes à la surface du catalyseur se déplacent et se transforment. Ces informations sont essentielles pour concevoir des catalyseurs plus performants," a déclaré Haimei Zheng, scientifique senior à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab.

Qiubo Zhang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng, a déclaré : « Comprendre pourquoi un catalyseur cesse de fonctionner est essentiel pour l'améliorer. Nous pensons que cette technologie nous aidera à le perfectionner. »

L'étude comprenait les scientifiques Zhigang Song de l'Université de Harvard, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang, et Yu Huang.

Zhang a expliqué que la découverte de l'interphase amorphe modifie nos connaissances antérieures. À mesure que la réaction progresse, la structure de cette interphase évolue, influençant ainsi les performances. En étudiant ces transformations, nous pouvons trouver des moyens d'améliorer l'efficacité des catalyseurs.

Une nouvelle étude a été publiée le 19 juin dans Nature. Cette recherche a été financée par le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE). Le Molecular Foundry, une installation soutenue par le Bureau des Sciences du DOE, a contribué à ces travaux.

Les scientifiques sont enthousiasmés par l'utilisation de cette technologie pour d'autres matériaux. Ils se penchent actuellement sur les problèmes liés aux batteries au lithium et au zinc. Les données obtenues grâce au TEM avec PLC pourraient permettre d'améliorer considérablement de nombreuses technologies électrochimiques.