Des transformations atomiques capturées grâce à une cellule de 10 nanomètres

Une équipe de scientifiques aux USA a mis au point une technique permettant d’étudier les processus électrochimiques au niveau atomique avec une résolution inédite. Cette innovation a permis de mieux comprendre un matériau catalyseur populaire.

Les réactions électrochimiques, transformations chimiques causées ou accompagnées par le flux de courants électriques, sont à la base de nombreuses technologies comme les batteries, les piles à combustible, l’électrolyse et la génération de carburants solaires. Elles jouent également un rôle crucial dans les processus biologiques comme la photosynthèse et se produisent sous la surface terrestre lors de la formation et de la décomposition des minerais métalliques.

Une technique pour observer les réactions électrochimiques

Les scientifiques ont développé une cellule, une petite chambre fermée capable de contenir tous les composants d’une réaction électrochimique, qui peut être associée à la microscopie électronique en transmission (TEM) pour obtenir des vues précises d’une réaction à l’échelle atomique. Leur dispositif, appelé cellule liquide polymère (PLC), peut être congelé pour arrêter la réaction à des moments spécifiques, permettant ainsi d’observer les changements de composition à chaque étape de la réaction avec d’autres outils de caractérisation.

Dans un article publié dans Nature, l’équipe décrit leur cellule et une enquête de principe utilisant cette technique pour étudier un catalyseur en cuivre qui réduit le dioxyde de carbone pour générer des carburants.

Des observations inédites grâce à la PLC

Haimei Zheng, auteur principal et scientifique senior à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a indiqué : « C’est une avancée technique très excitante qui montre que ce que nous ne pouvions pas faire auparavant est maintenant possible. La cellule liquide nous permet de voir ce qui se passe à l’interface solide-liquide pendant les réactions en temps réel, 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. »

Qiubo Zhang, co-premier auteur et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng, a ajouté : « Il est très important pour la conception des catalyseurs de voir comment un catalyseur fonctionne et aussi comment il se dégrade. Si nous ne savons pas comment il échoue, nous ne pourrons pas améliorer la conception. Et nous sommes très confiants que nous allons voir cela se produire avec cette technologie. »

Zheng et ses collègues sont enthousiastes à l’idée d’utiliser la PLC sur une variété d’autres matériaux électrocatalytiques et ont déjà commencé des investigations sur des problèmes liés aux batteries au lithium et au zinc. L’équipe est optimiste quant aux détails révélés par la TEM assistée par PLC, qui pourraient conduire à des améliorations dans toutes les technologies alimentées par des processus électrochimiques.

Nouvelles perspectives sur un catalyseur populaire

Les scientifiques ont testé l’approche PLC sur un système de catalyseur en cuivre, sujet de recherche et de développement intense car il peut transformer les molécules de dioxyde de carbone atmosphérique en produits chimiques carbonés précieux tels que le méthanol, l’éthanol et l’acétone. Cependant, une compréhension plus approfondie des catalyseurs à base de cuivre pour la réduction du CO2 est nécessaire pour concevoir des systèmes durables et produire efficacement un produit carboné souhaité plutôt que des produits indésirables.

L’équipe de Zheng a utilisé les puissants microscopes du Centre national de microscopie électronique, partie de la Fonderie moléculaire du Berkeley Lab, 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 de catalyseur qu’ils ont placé à l’intérieur de la cellule est composé 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.

Découvertes et implications

Grâce à la microscopie électronique, la spectroscopie de perte d’énergie des électrons et la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, les chercheurs ont capturé des images et des données sans précédent révélant des transformations inattendues à l’interface solide-liquide pendant la réaction. L’équipe a observé des atomes de cuivre quittant la phase métallique cristalline solide et se mêlant 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 appelé une « interphase amorphe » car elle 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.

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, comprendre l’interphase aidera les scientifiques à combattre 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 se fiaient à la structure de surface initiale pour concevoir le catalyseur à la fois pour l’efficacité et la stabilité. La découverte de l’interphase amorphe remet en question notre compréhension précédente des interfaces solide-liquide, incitant à prendre en compte ses effets lors de l’élaboration de stratégies », a dit encore Qiubo Zhang.

Zhigang Song, co-premier auteur et chercheur postdoctoral à l’Université de Harvard, a conclu : « Pendant la réaction, la structure de l’interphase amorphe change continuellement, impactant les performances. Étudier la dynamique de l’interface solide-liquide peut aider à comprendre ces changements, permettant de développer des stratégies adaptées pour améliorer les performances du catalyseur. »

Légende illustration : 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 est associée à de puissants microscopes au National Center for Electron Microscopy du Berkeley Lab. Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab

Article : « Atomic dynamics of electrified solid–liquid interfaces in liquid-cell TEM » – DOI: 10.1038/s41586-024-07479-w