Au cœur de la transition verte, les réactions électrochimiques jouent un rôle central. Elles sont le fondement de nombreuses applications, de la technologie de l’hydrogène aux batteries, en passant par divers aspects de l’économie circulaire. Ces réactions, et les facteurs qui les influencent, peuvent contribuer à l’amélioration de ces technologies.
Comprendre les réactions électrochimiques
Les réactions électrochimiques utilisent le courant électrique et la différence de potentiel pour réaliser des réactions chimiques. Cela permet de lier et de libérer de l’énergie électrique à partir de liaisons chimiques.
Des études récentes ont montré que, outre le matériau de l’électrode, le solvant utilisé, son acidité et les ions de l’électrolyte utilisé ont 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 à l’interface de l’électrode et de l’électrolyte, sur le résultat des réactions électrochimiques.
La conversion du dioxyde de carbone
Cependant, comprendre la chimie interfaciale à l’aide de méthodes expérimentales uniquement est extrêmement difficile car elles sont très minces, seulement une fraction de nanomètre. Les méthodes computationnelles et théoriques sont donc essentielles 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 d’acquérir une nouvelle compréhension de la chimie des interfaces électrochimiques, en particulier des effets des ions de l’électrolyte.
La recherche combinant résultats expérimentaux et computationnels
Les chercheurs de l’Université de Jyväskylä ont collaboré avec des groupes expérimentaux et computationnels pour comprendre les effets des électrolytes.
« Dans les deux études, nous nous sommes concentrés sur les propriétés fondamentales et la recherche, ce qui a nécessité l’utilisation de méthodes expérimentales très précises et exigeantes, et 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 cinétiques isotopiques quantiques de l’hydrogène pour comprendre la réaction de réduction de l’oxygène. Nous avons également développé et appliqué des méthodes computationnelles avancées pour simuler la réorganisation des solutions d’électrolytes aqueuses afin d’obtenir une vision détaillée de leur effet conjoint sur le mécanisme de réaction », explique Marko Melander, chercheur à l’Académie de Finlande au Département de chimie de l’Université de Jyväskylä.
Nouvelles connaissances scientifiques sur les réactions électrochimiques
Cette recherche fournit une image atomistique de la façon dont les électrolytes impactent les réactions électrochimiques. L’un des mécanismes identifiés est la formation de liaisons entre un ion et la molécule réagissante.
« 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 des interactions non covalentes. Ces interactions plutôt faibles déterminent alors la voie de réaction, le taux et la sélectivité, et donc contrôlent l’activité et le résultat des réactions électrochimiques », ajoute Marko Melander.
Possibilités pour le développement des technologies d’énergie renouvelable
Bien que cette recherche se soit concentrée sur les aspects fondamentaux des systèmes électrochimiques, elle peut favoriser le développement de technologies électrochimiques améliorées.
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« L’utilisation des effets des ions et des solvants peut fournir un moyen de personnaliser la réactivité et la sélectivité des réactions électrochimiques. Par exemple, l’électrolyte peut être utilisé pour diriger la réaction de réduction de l’oxygène soit vers des applications de piles à combustible, soit vers des applications de synthèse de peroxyde d’hydrogène. La chimie de l’électrolyte est également un moyen efficace de diriger la réduction du dioxyde de carbone vers les produits souhaités et précieux », conclut Marko Melander.
En synthèse
Les réactions électrochimiques sont un élément clé de la transition verte. Elles sont au cœur de nombreuses technologies, de la production d’hydrogène aux batteries. La compréhension de ces réactions et des facteurs qui les influencent est essentielle pour améliorer ces technologies.
Les recherches récentes ont permis de mieux comprendre comment les ions de l’électrolyte et le solvant utilisé peuvent influencer l’efficacité de ces réactions. Ces découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouvelles méthodes pour personnaliser la réactivité et la sélectivité des réactions électrochimiques, offrant ainsi de nouvelles possibilités pour le développement des technologies d’énergie renouvelable.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une réaction électrochimique ?
Une réaction électrochimique est une réaction chimique qui utilise le courant électrique et la différence de potentiel pour réaliser des réactions chimiques.
Quels sont les facteurs qui influencent les réactions électrochimiques ?
Outre le matériau de l’électrode, le solvant utilisé, son acidité et les ions de l’électrolyte utilisé ont un impact crucial sur l’efficacité des réactions électrochimiques.
Comment les ions de l’électrolyte influencent-ils les réactions électrochimiques ?
Les ions contrôlent la structure et la dynamique de la surface de l’électrode et de l’eau interfaciale par des interactions non covalentes. Ces interactions plutôt faibles déterminent alors la voie de réaction, le taux et la sélectivité, et donc contrôlent l’activité et le résultat des réactions électrochimiques.
Quelles sont les applications potentielles de ces recherches ?
Les résultats de ces recherches pourraient être utilisés pour développer de nouvelles méthodes pour personnaliser la réactivité et la sélectivité des réactions électrochimiques, offrant ainsi de nouvelles possibilités pour le développement des technologies d’énergie renouvelable.
Quels sont les défis à relever dans ce domaine de recherche ?
Comprendre la chimie interfaciale à l’aide de méthodes expérimentales uniquement est extrêmement difficile car elles sont très minces, seulement une fraction de nanomètre. Les méthodes computationnelles et théoriques sont donc essentielles pour étudier ces interfaces.
Références
Légende illustration principale : Une molécule d’oxygène (rose) se lie à un ion potassium (vert) à l’interface platine-eau. Crédit : Marko Melander
Article : « Cation-induced changes in the inner- and outer-sphere mechanisms of electrocatalytic CO2 reduction » – DOI: 10.1038/s41467-023-43300-4
