La forme d'un cristal peut-elle vraiment changer sa fonctionnalité dans la technologie de l'énergie propre? Une nouvelle étude dit oui, avec précision.
Des chercheurs de l'Université nationale de Taiwan, de l'Université nationale de Tsing Hua et de l'Université nationale de Yang Ming Chiao Tung ont découvert que la performance d'un catalyseur largement étudié, de l'oxyde cuprume (Cu2O), dans les réactions de réduction de l'oxygène (ORR) dépend fortement de la face cristalline exposée.
Le document est publié dans le Journal of Materials Chemistry A.
La réduction de l'oxygène est une réaction centrale des piles à combustible, qui sont des dispositifs qui convertissent l'énergie chimique en électricité. Le platine est couramment utilisé dans ce rôle mais est coûteux et limité dans l'approvisionnement. Cu2O, une alternative plus abordable, a maintenant montré un potentiel surprenant – si cela est utilisé avec la bonne forme.
L'équipe a synthétisé Cu2O cristaux en trois formes distinctes: cubes, octaèdre et dodécaèdre rhombique. Ces formes exposent différentes facettes cristallines – {100}, {111} et {110}, respectivement – et ont chacune été mélangées avec des nanotubes de carbone pour améliorer la conductivité.
Les chercheurs ont constaté que la version rhombique du dodécaxe, exposant la surface {110}, a livré la plus forte activité catalytique pour ORR, tandis que le cube était le plus stable au fil du temps.
En combinant des simulations quantiques avancées avec des expériences en laboratoire, l'équipe a constaté que les molécules d'oxygène se comportent différemment selon la surface cristalline sur laquelle ils atterrissent.
La surface {110} a montré l'adhérence la plus faible sur l'oxygène, ce qui aide la réaction à se poursuivre plus facilement. Cela correspondait à leurs prédictions de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et a été clairement montré dans les diagrammes d'énergie libre et les diagrammes volcanes 2D qui relient la force de liaison aux performances catalytiques.
Cependant, de meilleures performances ont parfois un coût. Les cristaux de dodécédron rhombiques se sont avérés se dégrader plus rapidement pendant le fonctionnement, peut-être en raison de l'auto-oxydation. En revanche, les cristaux en forme de cube – bien que moins réactifs – étaient plus robustes au fil du temps.
Cette recherche aide non seulement à expliquer pourquoi différentes facettes fonctionnent différemment, mais ouvrent également des portes à la conception de catalyseurs de nouvelle génération à faible coût en contrôlant simplement les formes cristallines.
« En amenant la géométrie des surfaces cristallines, nous pouvons adapter leur réactivité et leur stabilité, ce qui est crucial pour faire progresser les technologies énergétiques durables », a déclaré le professeur Jyh-Pin Chou de l'Université nationale de Taïwan.
