Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont développé une nouvelle méthode pour observer les réactions électrochimiques au niveau atomique à l'aide d'une cellule spécialement conçue combinée à la microscopie électronique. Cette technique a révélé des informations significatives sur le comportement et la dégradation des catalyseurs au cuivre utilisés dans la réduction du CO2, guidant potentiellement la conception de systèmes catalytiques plus efficaces et plus durables. Crédit : Issues.fr
Une nouvelle technique développée par le Lawrence Berkeley National Laboratory utilise la microscopie avancée pour étudier les réactions électrochimiques au niveau atomique, révélant des transformations détaillées dans les matériaux catalyseurs et offrant des perspectives pour améliorer leur efficacité et leur durabilité.
Les réactions électrochimiques sont des transformations chimiques provoquées ou accompagnées par le flux de courants électriques. Elles sont à la base de technologies telles que les batteries et les piles à combustible, et pilotent des processus biologiques tels que photosynthèseet se produisent sous la surface de la Terre lors de la formation et de la décomposition des minerais métalliques.
Une équipe dirigée par le Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) a développé une cellule – une petite chambre fermée pouvant contenir tous les composants d’une réaction électrochimique – qui peut être associée à la microscopie électronique à transmission (MET) pour générer des vues précises d’une réaction à l’échelle atomique. Leur dispositif, qu’ils appellent cellule liquide polymère (PLC), peut être congelé pour arrêter la réaction à des moments précis, ce qui permet aux scientifiques d’observer les changements de composition à chaque étape d’une réaction avec d’autres outils de caractérisation. Dans un nouvel article, récemment publié dans Naturel'équipe décrit sa cellule et une preuve de principe d'investigation l'utilisant pour étudier un catalyseur au cuivre qui réduit le dioxyde de carbone pour générer des carburants.
L'auteur principal Haimei Zheng, à gauche, et le premier auteur Qiubo Zhang examinent les résultats des mesures obtenues à l'aide de leur nouvelle technologie, qui s'associe à de puissants microscopes au Centre national de microscopie électronique du Berkeley Lab. Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab
« Il s’agit d’une avancée technique très intéressante qui montre que ce que nous ne pouvions pas faire auparavant est désormais possible. La cellule liquide nous permet de voir en temps réel ce qui se passe à l’interface solide-liquide pendant les réactions, qui sont des phénomènes très complexes. Nous pouvons voir comment les atomes de surface du catalyseur se déplacent et se transforment en différentes structures transitoires lorsqu’ils interagissent avec l’électrolyte liquide pendant les réactions électrocatalytiques », a déclaré Haimei Zheng, auteur principal et scientifique principal de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab.
Qiubo Zhang, co-auteur principal et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng, a déclaré : « Il est très important pour la conception d'un catalyseur de voir comment il fonctionne et comment il se dégrade. Si nous ne savons pas comment il tombe en panne, nous ne pourrons pas améliorer la conception. Et nous sommes très confiants que nous allons voir cela se produire avec cette technologie. »
Explorer les catalyseurs en cuivre avec les nouvelles technologies
Les scientifiques ont testé l'approche PLC sur un système de catalyseur au cuivre qui est un sujet populaire de recherche et de développement car il peut transformer les molécules de dioxyde de carbone atmosphérique en produits chimiques précieux à base de carbone tels que le méthanol, l'éthanol et l'acétone. Cependant, une compréhension plus approfondie des catalyseurs de réduction du CO2 à base de cuivre est nécessaire pour concevoir des systèmes durables et capables de produire efficacement un produit carboné souhaité plutôt que des produits hors cible.
À gauche, un schéma montrant les différents composants de la cellule à liquide polymère (PLC) que l'équipe a développée. À droite, une photographie du PLC (le petit cercle tenu dans la pince) à côté du dispositif de maintien qui soutient le PLC et l'insère dans le microscope électronique à transmission. Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab
L'équipe de Zheng a utilisé les puissants microscopes du Centre national de microscopie électronique, qui fait partie de la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley, pour étudier la zone de la réaction appelée interface solide-liquide, où le catalyseur solide traversé par un courant électrique rencontre l'électrolyte liquide. Le système catalytique qu’ils placent à l’intérieur de la cellule est constitué de cuivre solide avec un électrolyte de bicarbonate de potassium (KHCO3) dans l’eau. La cellule est composée de platine, d'oxyde d'aluminium et d'un film polymère ultra fin de 10 nanomètres.
Découverte de nouveaux mécanismes au niveau moléculaire
En utilisant la microscopie électronique, la spectroscopie de perte d'énergie électronique et la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, les chercheurs ont capturé des images et des données sans précédent qui ont révélé des transformations inattendues à l'interface solide-liquide au cours de la réaction. L’équipe a observé des atomes de cuivre quittant la phase métallique solide et cristalline et se mélangeant aux atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène de l’électrolyte et du CO2 pour former un état amorphe fluctuant entre la surface et l’électrolyte, qu’ils ont surnommé « interphase amorphe » car ce n'est ni solide ni liquide. Cette interphase amorphe disparaît à nouveau lorsque le courant cesse de circuler et la plupart des atomes de cuivre retournent dans le réseau solide.
(À gauche) Images TEM in situ montrant l'apparition, le mouvement et la disparition de l'interphase amorphe (bleu clair) entre le catalyseur de cuivre solide (marron) et l'électrolyte liquide (gris) à différents moments. Les flèches bleu foncé indiquent les directions du mouvement de la phase amorphe. (À droite) Images TEM haute résolution montrant une vue agrandie de la dynamique atomique du catalyseur médiée par l'interphase amorphe pendant la réaction d'électroréduction du dioxyde de carbone. Les points rouges mettent en évidence les atomes de cuivre sur la surface solide du catalyseur en cuivre. Les points jaunes mettent en évidence les atomes de cuivre avec des déplacements tout en se transformant en phase amorphe. Les flèches rouges indiquent l'étape atomique. Les flèches jaunes indiquent la rugosité atomique résultante. Crédit : Zheng et al/Berkeley Lab
Implications pour la conception du catalyseur et l'amélioration des performances
Selon Zhang, la dynamique de l’interphase amorphe pourrait être exploitée à l’avenir pour rendre le catalyseur plus sélectif pour des produits carbonés spécifiques. De plus, la compréhension de l’interphase aidera les scientifiques à lutter contre la dégradation – qui se produit à la surface de tous les catalyseurs au fil du temps – pour développer des systèmes avec des durées de vie opérationnelles plus longues.
«Auparavant, les gens s'appuyaient sur la structure de surface initiale pour concevoir le catalyseur en termes d'efficacité et de stabilité. La découverte de l’interphase amorphe remet en question notre compréhension antérieure des interfaces solide-liquide, ce qui nécessite de prendre en compte ses effets lors de l’élaboration de stratégies », a déclaré Zhang.
(De gauche à droite) Peter Ercius, scientifique, Centre national de microscopie électronique (NCEM), Haimei Zheng, scientifique principal, Division de la science des matériaux (MSD), Karen Bustillo, ingénieure scientifique, NCEM, et Qiubo Zhang, chercheur postdoctoral, MSD, photographié au microscope in situ ThemIS au NCEM de la Fonderie Moléculaire. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
« Au cours de la réaction, la structure de l’interphase amorphe change continuellement, ce qui a un impact sur les performances. L’étude de la dynamique de l’interface solide-liquide peut aider à comprendre ces changements, permettant ainsi le développement de stratégies adaptées pour améliorer les performances du catalyseur », a ajouté Zhigang Song, co-premier auteur et chercheur postdoctoral à l’Université de Harvard.
Applications potentielles et recherches futures
Zheng et ses collègues sont ravis d'utiliser le PLC sur une variété d'autres matériaux électrocatalytiques et ont déjà commencé à enquêter sur les problèmes liés aux batteries au lithium et au zinc. L’équipe est optimiste quant au fait que les informations révélées par le TEM activé par PLC pourraient conduire à des améliorations dans toutes les technologies électrochimiques.
