Les transformations électrocatalytiques nécessitent non seulement de l’énergie électrique, mais également un intermédiaire fiable pour déclencher la réaction chimique souhaitée. Les intermédiaires métal-hydrogène de surface peuvent produire efficacement des produits chimiques à valeur ajoutée et une conversion d'énergie, mais, compte tenu de leur faible concentration et de leur durée de vie éphémère, ils sont difficiles à caractériser ou à étudier en profondeur, en particulier à l'échelle nanométrique.
Aujourd’hui, les chercheurs de Cornell ont utilisé l’imagerie de réaction à super-résolution d’une seule molécule pour obtenir une vision plus claire de ce qui se passe et où, dans les intermédiaires métal-hydrogène de surface – des informations qui pourraient aider à stimuler la production d’hydrogène et la décontamination des polluants aqueux.
La recherche a été publiée dans Catalyse naturelle. L'auteur principal de l'article est l'ancien chercheur postdoctoral Wenjie Li. Le projet a été dirigé par Peng Chen, professeur de chimie Peter JW Debye au Collège des arts et des sciences.
Pour analyser le comportement des intermédiaires, les chercheurs ont sélectionné le palladium-hydrogène comme système modèle. Le processus d'imagerie impliquait l'introduction d'une molécule qui sondait un nanocube de palladium individuel et réagissait avec les intermédiaires palladium-hydrogène présents à sa surface, générant une autre molécule fluorescente.
« Cette fluorescence nous permet de l'imager au niveau de chaque molécule, de sorte que nous puissions voir chaque produit de réaction de la sonde. Et non seulement nous pouvons voir au niveau d'une seule molécule, mais nous pouvons également localiser sa position avec une précision spatiale nanométrique », a déclaré Chen.
L’imagerie a révélé que les particules individuelles de palladium avaient divers comportements et propriétés d’hydrogénation. De plus, l’équipe a découvert que des intermédiaires peuvent se former à différents sites sur la même particule et donc présenter des comportements différents.
« Une autre chose importante que nous constatons est qu'une fois cet intermédiaire hydrogène formé sur le catalyseur au palladium, il s'avère que l'atome d'hydrogène à la surface du palladium n'est pas ce que vous appelez un objet statique », a déclaré Chen. « L'hydrogène peut se déplacer, non seulement sur les particules de palladium, mais également vers la surface électrique environnante. »
Ce processus, le débordement d’hydrogène, est bien connu, mais jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas visualisé jusqu’où peut aller le débordement. La molécule sonde de l'équipe leur a permis de mesurer cette distance et de cartographier son emplacement, qui se trouvait à plus de centaines de nanomètres.
En règle générale, pour étudier les intermédiaires métal-hydrogène, les chercheurs s'appuient sur des « méthodes de moyenne d'ensemble », selon lesquelles la formation d'intermédiaires est mesurée en masse. En utilisant ce que l'on appelle une analyse cinétique d'élargissement gaussien, les chercheurs ont déterminé que ces méthodes, bien qu'utiles, présentent des inconvénients inhérents, notamment une surestimation de la stabilité des intermédiaires et un masquage souvent des variations de particule à particule et de site à site.
« Dans nos mesures, nous pouvons différencier les particules. Nous disposons également d'un moyen d'estimer les différences entre les sites d'une même particule », a déclaré Chen. « Maintenant, grâce à cette capacité, nous pouvons déterminer de manière plus fiable le potentiel de réduction qui conduit à la formation de cet intermédiaire palladium-hydrogène. »
La généralité de l’approche de l’équipe pourrait conduire à étudier un large éventail d’intermédiaires électrochimiques. Cela pourrait être particulièrement utile pour utiliser l’électrocatalyse dans la génération d’hydrogène et détoxifier les environnements aqueux de polluants tels que les composés chlorés.
