« Notre approche nous a permis d'explorer comment la distribution de la taille à l'échelle nanométrique évolue en fonction des conditions de fonctionnement, et d'identifier deux mécanismes différents que nous pouvons ensuite utiliser pour orienter nos efforts afin de stabiliser ces systèmes et de les protéger de la dégradation », a déclaré Walter Drisdell, scientifique au sein de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab et chercheur principal chez LiSA.
Dans une étude révolutionnaire menée aux États-Unis, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du SLAC National Accelerator Laboratory ont révélé les mécanismes fondamentaux qui limitent les performances des catalyseurs de cuivre. Ces catalyseurs sont des composants essentiels de la photosynthèse artificielle, un processus qui transforme le dioxyde de carbone et l'eau en combustibles et produits chimiques précieux.
Les résultats, publiés dans le Journal of the American Chemical Society, offrent des informations sans précédent sur la dégradation des catalyseurs, un défi qui a déconcerté les scientifiques pendant des décennies.
Grâce à des techniques sophistiquées de rayons X, l'équipe a directement observé comment les nanoparticules de cuivre se modifient pendant le processus catalytique. Ils ont appliqué la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) pour mieux comprendre la dégradation du catalyseur. Cela leur a permis d'identifier et d'observer deux mécanismes concurrents qui poussent les nanoparticules de cuivre au bord de la dégradation dans un catalyseur de réaction de réduction électrochimique du CO (CORR) : la migration et la coalescence des particules (PMC), et le mûrissement d'Ostwald.
Les chercheurs ont constaté que le processus PMC domine dans les 12 premières minutes de la réaction CORR, suivi du mûrissement d'Ostwald. Des tensions plus faibles déclenchent la migration et l'agglomération du processus PMC, tandis que des tensions plus importantes accélèrent les réactions, augmentant la dissolution et le processus de redéposition du mûrissement d'Ostwald.
Ces découvertes suggèrent diverses stratégies d'atténuation pour protéger les catalyseurs. Il s'agit notamment de matériaux de support améliorés pour limiter le PMC, ou de stratégies d'alliage et de revêtements physiques pour ralentir la dissolution et réduire le mûrissement d'Ostwald. Les futures études se concentreront sur les tests de différents schémas de protection et sur la conception de revêtements catalytiques pour orienter les réactions CORR vers la production de combustibles et de produits chimiques spécifiques.