Séparation de l'eau : comment l'ordre et le désordre influencent la réactivité chimique
Une nouvelle étude révèle le mécanisme d'ionisation de l'eau dans des conditions électrochimiques
L'hydrogène est une source d'énergie importante pour l'avenir. Il est donc essentiel de comprendre le processus d'électrolyse. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères et du département de chimie Yusuf Hamied de l'université de Cambridge ont maintenant étudié plus en détail un processus connexe, le processus d'autodissociation. Si la chimie fondamentale de la dissociation de l'eau est bien comprise dans des conditions normales, on sait beaucoup moins comment elle se comporte sous l'effet des champs électriques puissants présents dans les dispositifs électrochimiques.
Dans la nature, le comportement des systèmes, qu'ils soient grands ou petits, est toujours régi par quelques principes fondamentaux. Par exemple, les objets tombent vers le bas parce que cela minimise leur énergie. Parallèlement, l'ordre et le désordre sont des variables clés qui façonnent également les processus physiques. Les systèmes, en particulier nos maisons, ont tendance à devenir de plus en plus désordonnés au fil du temps. Même au niveau microscopique, les systèmes ont tendance à favoriser un désordre accru, un phénomène connu sous le nom d'augmentation de l'"entropie".
Ces deux variables - l'énergie et l'entropie - jouent un rôle important dans les processus chimiques. Les processus se produisent automatiquement lorsque l'énergie peut être réduite ou que l'entropie, c'est-à-dire le désordre, augmente.
Dans des conditions normales, comme dans un verre d'eau, l'autodissociation de l'eau est entravée par ces deux facteurs, ce qui en fait un événement très improbable. Toutefois, lorsque des champs électriques intenses sont appliqués, le processus peut être considérablement accéléré.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères et du département de chimie Yusuf Hamied de l'université de Cambridge ont découvert un mécanisme surprenant qui régit l'autodissociation de l'eau sous l'effet de ces champs intenses. Leurs conclusions, publiées dans le Journal of the American Chemical Society, remettent en question l'idée traditionnelle selon laquelle cette réaction est principalement motivée par des considérations énergétiques
"L'autodissociation de l'eau a été largement étudiée dans des conditions de masse, où l'on sait qu'elle est énergétiquement ascendante et entropiquement entravée", explique Yair Litman, chef de groupe à l'Institut Max Planck. "Mais sous les champs électriques puissants typiques des environnements électrochimiques, la réaction se comporte très différemment."
À l'aide de simulations avancées de dynamique moléculaire, Litman et Angelos Michaelides, coauteur de l'étude, montrent que les champs puissants favorisent considérablement la dissociation de l'eau, non pas en rendant la réaction plus favorable d'un point de vue énergétique, mais en la rendant favorable d'un point de vue entropique. Le champ électrique ordonne initialement les molécules d'eau en un réseau hautement structuré. Lorsque des ions se forment, ils perturbent cet ordre, augmentant l'entropie (ou le désordre) du système, ce qui, en fin de compte, fait progresser la réaction.
"Il s'agit d'un renversement complet de ce qui se passe à champ nul", explique M. Litman. "Au lieu de s'opposer à la réaction, l'entropie la favorise.
L'étude montre également que, sous l'effet de champs électriques puissants, le pH de l'eau peut passer de la neutralité (7) à des niveaux très acides (aussi bas que 3), ce qui a des implications sur la manière dont nous comprenons et concevons les systèmes électrochimiques.
"Ces résultats ouvrent la voie à un nouveau paradigme", déclare Michaelides. "Pour comprendre et améliorer les dispositifs de séparation de l'eau, nous devons tenir compte non seulement de l'énergie, mais aussi de l'entropie et de la façon dont les champs électriques remodèlent le paysage moléculaire de l'eau.
Cette recherche souligne la nécessité de repenser la modélisation de la réactivité dans les environnements aqueux soumis à un biais et ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de catalyseurs, en particulier dans les réactions électrochimiques et "sur l'eau".
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