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Un aperçu moléculaire de la double couche électrique

Des chercheurs soutenus par l’UE qui étudient la structure moléculaire des interfaces solides-liquides ont découvert une capacité de stockage d’énergie étonnamment élevée là où l’eau rencontre des surfaces métalliques.

Énergie

La double couche électrique (EDL pour «electrical double layer»): la structure qui apparaît à la surface d’un objet lorsque celui-ci est exposé à un fluide, joue un rôle important dans les processus électrochimiques interfaciaux tels que l’électrocatalyse, le stockage d’énergie et la corrosion. Pour comprendre et contrôler ces processus, les scientifiques doivent en savoir plus sur la structure moléculaire des interfaces solide-liquide. Afin de mieux appréhender les interfaces solide-liquide au niveau moléculaire, des chercheurs soutenus en partie par les projets HMST-PC, AMPERE et MITICAT, financés par l’UE, ont étudié les interfaces platine et nanoparticules d’or-eau en utilisant l’électrochimie à nano-impact. Leurs résultats ont été publiés dans la revue «Angewandte Chemie International Edition».

Exploiter l’électrochimie à nano-impact

L’électrochimie à nano-impact constitue un nouvel outil puissant qui permet aux scientifiques d’obtenir des informations physico-chimiques sur les effets structurels de la capacité EDL des nanomatériaux, sans artéfacts résultant de la porosité des films ou des additifs. La capacité EDL survient lorsqu’une électrode et une solution liquide entrent en contact, entraînant la formation de deux couches de charges électriques de polarités opposées et permettant le stockage de l’électricité. Ce nouvel outil a ouvert la voie à de nouvelles possibilités en matière de caractérisation des nanoparticules colloïdales. Grâce à leur rapport surface/volume élevé, les nanoparticules sont avantageuses pour de nombreuses applications. Cependant, la caractérisation explicite de la capacité EDL est compliquée pour les nanoparticules. Comme indiqué dans l’étude, les nanoparticules «doivent être transformées en électrodes complètes pour les mesures électrochimiques conventionnelles, ce qui inclut souvent des additifs et entraîne des effets d’ensemble et des incertitudes sur la surface électrochimique active.» L’électrochimie à nano-impact résout ce problème. «Afin de suivre la capacité et les processus de réarrangement dans la double couche électrochimique sur les nanoparticules de platine et d’or, il était essentiel de mettre au point une méthode permettant de mesurer avec précision les courants de décharge sur des nanoparticules individuelles en solution», rapporte l’autrice principale de l’étude, la professeure Kristina Tschulik, de l’Université de la Ruhr à Bochum (Allemagne), qui héberge le projet MITICAT, dans un communiqué de presse publié sur le site Web «EurekAlert!». Pour son étude, l’équipe de recherche a utilisé des dispersions de nanoparticules colloïdales, dans lesquelles des particules individuelles finement dispersées dans une solution aqueuse entrent en collision de manière aléatoire avec une ultramicroélectrode. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire assistées par ordinateur, l’équipe a pu identifier des similitudes et des différences dans les courants capacitifs mesurés en fonction de la tension de différents types de dispersions de nanoparticules. Les calculs ont indiqué que la forte interaction du métal avec les molécules d’eau entraîne une chimisorption de l’eau et une accumulation inattendue d’ions, ce qui se traduit par une plus grande capacité de stockage des charges à l’interface. «La capacité de stockage de charge de la double couche augmente d’environ un ordre de grandeur par rapport aux prédictions basées sur les modèles traditionnels de champ moyen», indiquent les auteurs dans l’étude. «La grande capacité mesurée pour les surfaces de platine et d’or proviendrait des fortes interactions entre la surface métallique et la couche d’eau. Celles-ci favorisent la chimisorption de l’eau et l’accumulation d’ions à l’interface. La valeur de capacité inférieure mesurée pour l’or est attribuée à une liaison plus faible de la couche d’eau aux surfaces d’or par rapport aux surfaces de platine.» Les connaissances acquises grâce au soutien des projets HMST-PC (Synthesis of Hybrid Metal-Semiconductor Tetrapod Photocatalysts for Improved Water Splitting), AMPERE (Accounting for Metallicity, Polarization of the Electrolyte, and Redox reactions in computational Electrochemistry), et MITICAT (Microfluidic Tuning of Individual Nanoparticles to Understand and Improve Electrocatalysis) pourraient permettre d’affiner activement les interactions solide-solvant et solvant-solvant formées par la couche d’eau. Cela pourrait conduire à des technologies de conversion et de stockage de l’énergie plus performantes et plus durables. Pour plus d’informations, veuillez consulter: projet HMST-PC site web du projet AMPERE projet MITICAT

Mots‑clés

HMST-PC, AMPERE, MITICAT, nanoparticule, double couche électrique, couche d’eau, or, platine, capacité

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