Une réaction chimique clé – dans laquelle le mouvement des protons entre la surface d'une électrode et un électrolyte entraîne un courant électrique – est une étape critique dans de nombreuses systems énergétiques, notamment les piles à combustible et les électrolyseurs utilisés pour produire de l'hydrogène gazeux.
Pour la première fois, des chimistes du MIT ont cartographié en détail remark ces transferts d'électrons couplés à des protons se produisent à la surface area d'une électrode. Leurs résultats pourraient aider les chercheurs à concevoir des piles à combustible, des batteries ou d’autres systems énergétiques furthermore efficaces.
« Notre avancée dans cet write-up a consisté à étudier et à comprendre la nature de la façon dont ces électrons et protons se couplent sur un website de floor, ce qui est pertinent pour les réactions catalytiques importantes dans le contexte des dispositifs de conversion d'énergie ou des réactions catalytiques », explique Yogesh Surendranath, chercheur. professeur de chimie et de génie chimique au MIT et auteur principal de l'étude.
Parmi leurs découvertes, les chercheurs ont pu retracer exactement comment les changements de pH de la option électrolytique entourant une électrode affectent la vitesse de mouvement des protons et le flux d'électrons dans l'électrode.
Noah Lewis, étudiant diplômé du MIT, est l'auteur principal de l'report, qui paraît aujourd'hui dans Nature Chemistry. Ryan Bisbey, ancien postdoctorant du MIT Karl Westendorff, étudiant diplômé du MIT et Alexander Soudackov, chercheur à l'Université de Yale, sont également les auteurs de l'short article.
Passage de protons
Le transfert d'électrons couplé à un proton se produit lorsqu'une molécule, souvent de l'eau ou un acide, transfère un proton à une autre molécule ou à la surface area d'une électrode, ce qui stimule l'accepteur de proton à absorber également un électron. Ce form de réaction a été exploité pour de nombreuses purposes énergétiques.
« Ces réactions de transfert d'électrons couplées à des protons sont omniprésentes. Elles constituent souvent des étapes clés des mécanismes catalytiques et sont particulièrement importantes pour les processus de conversion d'énergie tels que la génération d'hydrogène ou la catalyse des piles à combustible », explique Surendranath.
Dans un électrolyseur générateur d’hydrogène, cette approche est utilisée pour éliminer les protons de l’eau et ajouter des électrons aux protons pour former de l’hydrogène gazeux. Dans une pile à combustible, l’électricité est produite lorsque les protons et les électrons sont retirés de l’hydrogène gazeux et ajoutés à l’oxygène pour former de l’eau.
Le transfert d'électrons couplé aux protons est courant dans de nombreux autres varieties de réactions chimiques, par exemple la réduction du dioxyde de carbone (la conversion du dioxyde de carbone en combustibles chimiques par ajout d'électrons et de protons). Les scientifiques ont beaucoup appris sur la façon dont ces réactions se produisent lorsque les accepteurs de protons sont des molécules, automobile ils peuvent contrôler avec précision la construction de chaque molécule et observer comment les électrons et les protons passent entre elles. Cependant, lorsque le transfert d’électrons couplés à un proton se produit à la area d’une électrode, le processus est beaucoup as well as difficile à étudier car or truck les surfaces des électrodes sont généralement très hétérogènes et comportent de nombreux internet sites différents auxquels un proton pourrait potentiellement se lier.
Pour surmonter cet obstacle, l’équipe du MIT a développé un moyen de concevoir des surfaces d’électrodes qui leur permet de contrôler beaucoup furthermore précisément la composition de la area de l’électrode. Leurs électrodes sont constituées de feuilles de graphène avec des composés organiques contenant des anneaux attachés à la floor. À l’extrémité de chacune de ces molécules organiques se trouve un ion oxygène chargé négativement qui peut accepter les protons de la option environnante, ce qui provoque le flux d’un électron du circuit vers la floor graphitique.
« Nous pouvons créer une électrode qui ne consiste pas en une grande diversité de websites, mais constitue un ensemble uniforme d'un seul style de websites très bien définis pouvant chacun se lier à un proton avec la même affinité », explique Surendranath. « Comme nous disposons de web sites très bien définis, cela nous a permis de réellement comprendre la cinétique de ces processus. »
Grâce à ce système, les chercheurs ont pu mesurer le flux de courant électrique vers les électrodes, ce qui leur a permis de calculer le taux de transfert de protons vers l'ion oxygène à la surface area à l'équilibre – l'état dans lequel les taux de don de protons à l'ion oxygène à la surface area sont en équilibre. la surface et le transfert de protons vers la option depuis la surface sont égaux. Ils ont constaté que le pH de la option environnante a un effet significatif sur ce taux : les taux les plus élevés se situent aux extrémités de l'échelle de pH : pH, le as well as acide, et pH 14, le furthermore basique.
Pour expliquer ces résultats, les chercheurs ont développé un modèle basé sur deux réactions possibles pouvant se produire au niveau de l’électrode. Dans le premier cas, les ions hydronium (H3O+), qui sont en forte focus dans les solutions fortement acides, délivrent des protons aux ions oxygène de la surface area, générant ainsi de l'eau. Dans le 2nd cas, l'eau délivre des protons à la floor, des ions oxygène, générant des ions hydroxyde (OH-), qui sont en forte focus dans les alternatives fortement basiques.
Cependant, le taux à pH est approximativement quatre fois in addition rapide qu’à pH 14, en partie parce que l’hydronium abandonne les protons à un rythme in addition rapide que l’eau.
Une réaction à reconsidérer
Les chercheurs ont également découvert, à leur grande shock, que les deux réactions ont des vitesses égales non pas à pH neutre 7, où les concentrations d'hydronium et d'hydroxyde sont égales, mais à pH 10, où la focus d'ions hydroxyde est 1 million de fois celle de l'hydronium. Le modèle suggère que cela est dû au fait que la réaction directe impliquant le don de protons provenant de l'hydronium ou de l'eau contribue davantage au taux international que la réaction inverse impliquant l'élimination des protons par l'eau ou l'hydroxyde.
Les modèles existants sur la façon dont ces réactions se produisent à la floor des électrodes supposent que les réactions vers l'avant et vers l'arrière contribuent de manière égale au taux international. Les nouveaux résultats suggèrent donc que ces modèles pourraient devoir être reconsidérés, disent les chercheurs.
« C'est l'hypothèse par défaut, selon laquelle les réactions directes et inverses contribuent de manière égale au taux de réaction », explique Surendranath. « Notre découverte est vraiment révélatrice car elle signifie que l'hypothèse selon laquelle les gens utilisent pour tout analyser, de la catalyse des piles à flamable à l'évolution de l'hydrogène, pourrait être quelque selected que nous devons revoir. »
Les chercheurs utilisent maintenant leur configuration expérimentale pour étudier remark l’ajout de différents sorts d’ions à la alternative électrolytique entourant l’électrode peut accélérer ou ralentir le débit d’électrons couplés aux protons.
« Avec notre système, nous savons que nos websites sont constants et ne s'influencent pas les uns les autres, nous pouvons donc lire l'effet du changement dans la option sur la réaction à la area », explique Lewis.
La recherche a été financée par l’Office of Essential Strength Sciences du Département américain de l’énergie.
