Comment la morphologie de la surface peut-elle modifier la sélectivité en électrocatalyse ?

Le département de théorie de l'Institut Fritz Haber attire l'attention sur la morphologie du catalyseur comme facteur clé pour déterminer quel produit se forme lors d'une réaction électrocatalytique. L'analyse, publiée dans Catalyse naturelleexplore comment la « rugosité » de la surface d'un catalyseur modifie la sélectivité d'un certain nombre de réactions technologiquement importantes, notamment la conversion électrochimique du CO₂ en carburants et H₂O formation dans les piles à combustible.

Les résultats offrent une nouvelle perspective sur la façon dont la conception des catalyseurs pourrait optimiser les processus électrochimiques, tout en remettant en question l’image traditionnelle qui se concentre entièrement sur la nature du site actif au niveau atomique.

La catalyse joue un rôle central dans l'industrie chimique, influençant considérablement de nombreuses facettes de la vie quotidienne, telles que la production de plastique, le développement de médicaments et la fabrication d'engrais. L’électrocatalyse hétérogène, en particulier, est au cœur du développement de technologies énergétiques durables, car elle permet la production sans carbone de carburants et de produits chimiques grâce à l’électricité renouvelable. Ici, les transformations chimiques ne nécessitent que des conditions douces de température et de pression car elles sont régies par un transfert de charge à l’interface solide-liquide.

L'un des objectifs clés des recherches de l'équipe est d'élucider la sélectivité des catalyseurs, dont l'origine reste souvent mal comprise notamment dans le domaine de l'électrocatalyse.

Cette analyse se concentre sur un mécanisme microscopique dans lequel un certain intermédiaire de réaction s'échappe de la surface du catalyseur pour être détecté comme un produit précoce partiellement converti. Un nouveau modèle cinétique multi-échelle montre comment la sélectivité dépend du taux de transport des espèces à travers l'électrolyte et quantifie l'influence de la densité des sites catalytiquement actifs, également connue sous le nom de rugosité du catalyseur. Malgré sa simplicité, le modèle est capable de reproduire une série de tendances trouvées dans la littérature expérimentale.

Ce résultat démontre la généralité du mécanisme proposé et établit la rugosité comme descripteur clé de la morphologie du catalyseur sur toutes les échelles de longueur pertinentes. Ces informations améliorent la compréhension fondamentale des mécanismes de réaction en électrocatalyse, tout en suggérant de nouvelles voies à suivre pour optimiser la sélectivité du catalyseur et son fonctionnement à long terme.