Des recherches avancées en électrochimie à l’Université de Jyväskylä ont révélé l’impact de divers facteurs, notamment les ions électrolytes, sur les réactions électrochimiques. Ces travaux, combinant approches théoriques et expérimentales, contribuent au développement de piles à combustible efficaces et de solutions énergétiques neutres en carbone.
De nouvelles recherches sur les réactions électrochimiques mettent en évidence le rôle essentiel des ions électrolytes, contribuant ainsi à l’avancement des technologies énergétiques durables.
Les réactions électrochimiques sont au cœur de la transition verte. Ces réactions utilisent le courant électrique et la différence de potentiel pour effectuer des réactions chimiques, ce qui permet de lier et de réaliser de l’énergie électrique à partir de liaisons chimiques. Cette chimie est à la base de plusieurs applications, telles que la technologie de l’hydrogène, les batteries et divers aspects de l’économie circulaire.
Les développements et l’amélioration de ces technologies nécessitent une connaissance détaillée des réactions électrochimiques et des différents facteurs qui les influencent. Des études récentes ont montré qu’outre le matériau de l’électrode, le solvant utilisé, son acidité et les ions électrolytes utilisés ont également un impact crucial sur l’efficacité des réactions électrochimiques. Par conséquent, l’attention s’est récemment portée sur l’étude de l’impact des interfaces électrochimiques, c’est-à-dire l’environnement de réaction au niveau de l’électrode et de l’interface électrolytique illustrée à la figure 1, sur le résultat des réactions électrochimiques.
Figure 1. L’interface électrochimique est un environnement réactionnel très complexe où plusieurs interactions et processus contribuent à une réaction chimique. Crédit : Marko Melander
Conversion du dioxyde de carbone
Cependant, comprendre la chimie des interfaces en utilisant uniquement des méthodes expérimentales est extrêmement difficile car elles sont très fines, seulement une fraction de nanomètre. Les approches informatiques et théoriques sont donc cruciales car elles fournissent un moyen précis d’étudier les interfaces électrochimiques au niveau atomique et en fonction du temps. Le développement à long terme de méthodes et de théories au Département de chimie de l’Université de Jyväskylä (Finlande) a permis de nouvelles connaissances sur la chimie des interfaces électrochimiques, en particulier sur les effets des ions électrolytes.
« Nos deux articles de recherche récents se sont concentrés sur les effets des ions électrolytes dans les réactions de réduction de l’oxygène et du dioxyde de carbone, qui déterminent l’efficacité des piles à combustible, la synthèse du peroxyde d’hydrogène et la conversion du dioxyde de carbone en produits chimiques et carburants neutres en carbone », explique le journal. Marko Melander, chercheur à l’Académie de Finlande, du Département de chimie de l’Université de Jyväskylä.
Combiner les résultats expérimentaux et informatiques
Les chercheurs de l’Université de Jyväskylä ont collaboré avec des groupes expérimentaux et informatiques pour comprendre les effets des électrolytes. Les travaux ont été récemment publiés dans des revues renommées, Communications naturelles et Angewandte Chemie International Edition.
Figure 2. Une molécule d’oxygène (rose) se lie à un ion potassium (vert) à l’interface platine-eau. Crédit : Marko Melander
« Dans les deux études, nous nous sommes concentrés sur les propriétés fondamentales et la recherche, ce qui a nécessité le recours à des méthodes expérimentales très précises et exigeantes, ainsi que leur combinaison avec les dernières méthodes de simulation. Par exemple, nous avons pu, pour la première fois, combiner des expériences et des simulations des effets isotopiques cinétiques de la mécanique quantique de l’hydrogène pour comprendre la réaction de réduction de l’oxygène. Nous avons également développé et appliqué des méthodes informatiques avancées pour simuler la réorganisation des solutions électrolytiques aqueuses afin d’obtenir un aperçu détaillé de leur effet conjoint sur le mécanisme de réaction », explique Melander.
Faire progresser les connaissances en science électrochimique
Cette recherche fournit une image atomistique de l’impact des électrolytes sur les réactions électrochimiques. L’un des mécanismes identifiés est la formation de liaison entre un ion et la molécule qui réagit, comme le montre la figure 2.
« Nous avons pu montrer que les ions contrôlent la structure et la dynamique de la surface de l’électrode et de l’eau interfaciale par le biais d’interactions non covalentes. Ces interactions plutôt faibles déterminent ensuite la voie, la vitesse et la sélectivité de la réaction, et contrôlent ainsi l’activité et le résultat des réactions électrochimiques », explique Melander.
Implications pour le développement des énergies renouvelables
Bien que cette recherche se concentre sur les aspects fondamentaux des systèmes électrochimiques, elle peut favoriser le développement de technologies électrochimiques améliorées.
« L’utilisation des effets des ions et des solvants peut permettre d’adapter la réactivité et la sélectivité des réactions électrochimiques. Par exemple, l’électrolyte peut être utilisé pour orienter la réaction de réduction de l’oxygène vers des applications de pile à combustible ou de synthèse de peroxyde d’hydrogène. La chimie des électrolytes est également un moyen efficace d’orienter la réduction du dioxyde de carbone vers les produits recherchés et précieux », explique Melander.
