Analyse de la surface des particules de catalyseur en solution aqueuse
Les résultats sont pertinents pour le développement de photoélectrodes efficaces pour la production d'hydrogène vert
L'hydrogène vert peut être produit directement dans une cellule photoélectrochimique, en séparant l'eau à l'aide de l'énergie solaire. Toutefois, cela nécessite le développement de photoélectrodes super efficaces qui doivent combiner plusieurs talents à la fois : Elles doivent être excellentes pour convertir la lumière du soleil en électricité, rester stables dans l'eau acide ou basique, agir comme des catalyseurs pour promouvoir la séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène, et être bon marché, abondantes et non toxiques. La grande classe de matériaux que constituent les oxydes métalliques entre en ligne de compte. Cependant, il est difficile de savoir ce qui se passe réellement aux interfaces entre les électrodes d'oxyde métallique solide et l'électrolyte aqueux. En effet, l'analyse standard aux rayons X ne permet pas d'étudier les processus qui se déroulent sur des échantillons en milieu liquide. L'une des rares méthodes appropriées est l'expérimentation avec un jet de liquide : un jet de liquide extrêmement fin dans lequel des nanoparticules d'oxyde métallique sont suspendues. Ce jet traverse la lumière des rayons X de BESSY II et l'interférence des molécules évaporées avec les données de mesure est négligeable (voir l'avant-propos du numéro spécial).
Le microjet est un courant de liquide à écoulement rapide si étroit qu'il ne produit qu'un nuage de vapeur extrêmement dilué. Les photons et les particules peuvent atteindre et quitter la surface du jet sans entrer en collision avec les molécules de vapeur.
Robert Seidel/HZB
Le liquide contenant des nanoparticules d'oxyde métallique en suspension traverse la lumière des rayons X en un jet très fin. Il est ainsi possible d'étudier les réactions chimiques aux interfaces entre les particules solides d'oxyde métallique et l'électrolyte liquide.
Robert Seidel/HZB
Le Dr Robert Seidel est un expert de cette méthode de jet liquide, qui fait l'objet d'un numéro spécial de Accounts of Chemical Research. Il a été invité à être le rédacteur en chef de ce numéro et à présenter également de nouvelles expériences à BESSY II qu'il a menées avec le Dr Hebatallah Ali et le Dr Bernd Winter de l'Institut Fritz Haber.
Ils ont étudié deux systèmes modèles importants pour les photoélectrodes : Des nanoparticules d'oxyde de fer (hématite, α-Fe2O3, et anatase (oxyde de titane ou TiO2) dans des électrolytes aqueux avec différentes valeurs de pH. L'hématite et l'anatase en suspension sont des systèmes modèles photocatalytiques. Ils sont idéaux pour étudier l'interface solide/électrolyte au niveau moléculaire et pour explorer les réactions chimiques aux interfaces électrode-électrolyte.
"Nous avons utilisé la spectroscopie photoélectronique résonante (PES) pour identifier les empreintes caractéristiques des différentes réactions. Cela nous a permis de reconstruire les produits de réaction formés dans différentes conditions, en particulier en fonction du pH". La question clé : Comment les molécules d'eau réagissent-elles avec ou sur les surfaces des nanoparticules ?
En fait, le degré d'acidité ou de basicité d'un électrolyte fait une grande différence, note M. Seidel. "À un pH faible, les molécules d'eau à la surface de l'hématite ont tendance à se diviser. Ce n'est pas le cas avec l'anatase, où les molécules d'eau sont adsorbées à la surface des nanoparticules de TiO2 ", explique M. Seidel. Un pH basique est nécessaire pour que les molécules d'eau se décomposent sur les nanoparticules d'anatase. "Seidel ajoute : "Seule cette méthode de jet de liquide permet d'obtenir de telles informations sur les interactions de surface avec les molécules d'eau.
Les spectres ont également révélé des transitions électroniques ultrarapides entre l'oxyde métallique et les molécules d'eau (scindées) à la surface. Ces résultats permettent de mieux comprendre les premières étapes de la dissociation de l'eau et contribuent à clarifier les mécanismes de séparation de l'eau induite par la lumière sur les surfaces d'oxyde métallique.
Le numéro spécial "Applications of Liquid Microjets in Chemistry" (Applications des microjets liquides en chimie)
"Versez un verre d'eau et approchez-le de votre nez, à un centimètre de distance. Que ne voyez-vous pas ? Environ 3 millions de molécules interviennent le long d'une ligne entre le bout de votre nez et la surface de l'eau. Imaginez qu'un photon de rayons X ou une particule chargée ou neutre tente d'atteindre ou de fuir la surface, mais qu'il entre d'abord en collision avec certaines de ces molécules intercalées de manière à brouiller les informations sur leurs interactions avec les molécules interfaciales et les molécules d'eau plus profondes".
Ce qui est décrit de manière si frappante dans l'avant-propos de ce numéro spécial constitue depuis longtemps un problème majeur. Ce n'est qu'en 1988 que la méthode du jet liquide, introduite par Manfred Faubel, Stephan Schlemmer et Jan Peter Toennies, a permis d'étudier les surfaces d'eau sans ces perturbations. Le microjet est un courant de liquide à écoulement rapide, si étroit qu'il ne produit qu'un nuage de vapeur extrêmement dilué. Les photons et les particules peuvent atteindre et quitter la surface du jet sans entrer en collision avec les molécules de vapeur. Un numéro spécial de la revue Accounts of Chemical Research présente de nouveaux résultats passionnants obtenus grâce à cette méthode. Robert Seidel, chercheur au HZB, a été invité à en être le rédacteur en chef.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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