Le cuivre a de nombreuses utilisations – dans des fils électriques, la plomberie et même les pièces. Avec son abondance et son prix relativement bas, le cuivre est également utilisé depuis longtemps comme catalyseur pour accélérer les réactions chimiques – notamment l'électrolyse à l'eau et au dioxyde de carbone, où le cuivre sert d'électrode et de catalyseur pour l'utilisation de l'électricité pour produire des carburants.
Le problème est que le cuivre ordinaire n'est pas le catalyseur le plus durable, donc les chercheurs ont cherché des moyens de l'améliorer. Une approche consiste à l'oxyder, un processus essentiellement le même que le fer rouillé. Dans les années 1970, le chimiste Marcel Pourbaix a théorisé que des formes particulièrement durables de cuivre hautement oxydé devraient exister. Les chercheurs chassent ces formes depuis.
Maintenant, enfin, une équipe dirigée par des chercheurs du laboratoire national d'accélérateur du SLAC du Département américain (DOE) a trouvé cette forme insaisissable de cuivre à travers des méthodes de calcul avancées et des techniques expérimentales de pointe.
L'équipe – y compris les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), de l'Université de Stanford, du National Institute for Standards and Technology (NIST), de l'Université de Californie, de Berkeley et du Laboratoire national des énergies renouvelables – fait partie de la Liquid Sunlight Alliance (Lisa), un Doe Fuels de Sunlight Innovation Hub.
Publié dans le Journal de l'American Chemical Societyleurs résultats cartographient dans quelles conditions cette forme spéciale de cuivre est la plus stable, ouvrant la voie à faire des catalyseurs de cuivre plus durables.
Pour produire ce matériau, en particulier, une sorte d'hydroxyde de cuivre avec une formule chimique Cuooh – les chercheurs ont appliqué l'électricité aux électrodes de cuivre immergées dans un bain d'électrolyte.
Mais avec la tension électrique précise, l'acidité et de nombreuses autres variables à considérer, la production et l'identification de ce composé de cuivre n'était pas simplement une question d'allumer le système. Pour relever ce défi, l'auteur co-dirigé et le SLAC et le Suncat Center for Interface Science and Catalys’s Postdoctoral Fellow Pooja Basera ont utilisé de puissantes méthodes de calcul pour prédire les conditions où ils pouvaient produire les types de composés de cuivre qu’ils recherchaient.
Avec l'aide d'un supercalculateur au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) au Berkeley Lab, ils l'ont fait. « Il correspondait très bien à l'hypothèse de Pourbaix », a déclaré Basera. « Nous étions ravis de pouvoir identifier où nous pourrions trouver cette forme de cuivre. »
L'équipe s'est ensuite tournée vers les radiographies brillantes de Stanford Synchrotron Radiation Lightource (SSRL) à SLAC pour tester ces prédictions. Parce que les réactions catalytiques ont lieu dans les premières couches atomiques du catalyseur, ils avaient besoin de techniques sensibles aux réactions de surface dans des conditions de fonctionnement pour capturer la formation de composés de cuivre oxydés en détail.
Une nouvelle technique a cette sensibilité. Développé par SSRL et Berkeley Lab Researchers, Modulation Excitation Spectroscopie d'absorption des rayons X Cycles des impulsions électriques sur et hors des taux rapides tout en sondant l'échantillon avec des rayons X, révélant des « empreintes digitales structurelles » dans les électrodes en cuivre.
« Nous pourrions le voir, comme prévu par les calculs, une nouvelle signature spectrale de cuivre que nous n'avons jamais vue auparavant », indiquant la présence d'hydroxyde de cuivre, a déclaré Angel T. Garcia-Esparza, un scientifique du personnel SSRL.
L'équipe voulait également comprendre une autre pièce importante du puzzle: comment ce composé en cuivre se forme. Yang Zhao, chercheur postdoctoral, et Shannon Boettcher, scientifique principal, au Berkeley Lab, ont utilisé une autre technique spécialisée, Operando Raman Spectroscopy. Ils ont brillé la lumière visible sur l'échantillon pour mesurer comment les liaisons entre les atomes vibraient. Ces vibrations moléculaires agissent comme des empreintes digitales qui aident à identifier différentes espèces chimiques.
À mesure que la tension augmentait à un niveau élevé – au-delà de ce qui est généralement utilisé dans les études de cuivre – un nouveau signal est apparu. Ce signal correspondait aux prédictions de calcul, fournissant des preuves solides que le cuivre s'est transformé en une phase Cuooh.
Ces calculs et empreintes digitales montrent que, sous la bonne forme, le cuivre peut résister aux tensions de fonctionnement plus élevées, augmentant sa durabilité, a déclaré Michal Bajdich, scientifique du personnel du SLAC et auteur principal de cette étude.
L'augmentation de la durabilité des catalyseurs en cuivre a des implications importantes dans la division électrochimique de l'eau, le processus de division de l'eau en oxygène et en hydrogène, ce qui pourrait aider à créer les aliments dont la société a besoin d'une manière plus rentable et moins à forte intensité d'énergie, en particulier si l'énergie du soleil est utilisée au lieu d'autres sources.
Alors que le cuivre n'est désormais utilisé que dans l'électrode strict à l'eau chargée négativement, les résultats ouvrent la porte à l'utilisation de cuivre pour les électrodes chargées négativement et positivement, remplaçant ainsi potentiellement les matériaux plus chers et rares utilisés maintenant.
La combinaison de capacités de calcul avancées avec des techniques de pointe que nous développons au SLAC nous permet de découvrir des états catalytiques insaisissables, a déclaré Dimosthenis Sokaras, co-chercheur-crrincipal et scientifique principal de SSRL. De telles études fondamentales contribuent à établir des technologies de transformation chimique nouvelles ou émergentes.
Ayant résolu le mystère du cuivre, l'équipe a déclaré que leur approche peut aider à trouver des états d'oxydation plus élevés d'autres matériaux catalytiques dans le but global de concevoir des catalyseurs plus stables et durables non seulement pour la division de l'eau, mais aussi d'autres réactions chimiques pertinentes industrielles.
