Électrocatalyse

L'électrocatalyse est l'accélération des réactions électrochimiques par des surfaces catalytiques qui réduisent la surtension nécessaire pour les initier, un aspect central de l'efficacité des dispositifs de conversion d'énergie.

Definition

L'étude et la pratique de la catalyse des réactions électrochimiques à l'interface électrode-électrolyte, réduisant la surtension nécessaire pour atteindre des vitesses de réaction utiles.

Scope

Ce sujet aborde les principes de l'électrocatalyse : comment la liaison des intermédiaires de réaction par un matériau d'électrode régit la vitesse de réaction, les relations en volcan et le principe de Sabatier qui identifient les catalyseurs optimaux, les réactions clés de la technologie énergétique telles que le dégagement d'hydrogène, la réduction de l'oxygène et le dégagement d'oxygène, ainsi que les descripteurs computationnels utilisés pour concevoir les catalyseurs. Il établit un lien entre la chimie de surface et la performance des dispositifs.

Core questions

• Comment une surface d'électrode abaisse-t-elle la barrière d'activation d'une réaction électrochimique ?
• Pourquoi l'activité catalytique optimale se produit-elle à une force de liaison intermédiaire des intermédiaires de réaction ?
• Qu'est-ce qui rend les réactions de réduction de l'oxygène et de dégagement d'oxygène si difficiles à catalyser ?
• Comment les descripteurs computationnels guident-ils la conception de nouveaux électrocatalyseurs ?

Key theories

Principe de Sabatier et relations en volcan

L'activité catalytique est maximisée pour une liaison intermédiaire des intermédiaires de réaction — suffisamment forte pour activer les réactifs mais suffisamment faible pour libérer les produits — produisant une dépendance de la vitesse en forme de volcan par rapport à l'énergie de liaison.

Conception basée sur des descripteurs computationnels

Les calculs de fonctionnelle de la densité des énergies d'adsorption des intermédiaires fournissent des descripteurs qui prédisent les surtensions, permettant un criblage et une conception rationnels des électrocatalyseurs pour des réactions telles que la réduction de l'oxygène.

Clinical relevance

Les électrocatalyseurs déterminent l'efficacité et le coût des piles à combustible, des électrolyseurs d'eau pour la production d'hydrogène et des systèmes de réduction du dioxyde de carbone ; la réduction de la dépendance aux métaux du groupe du platine, rares, grâce à de meilleurs catalyseurs est un objectif clé pour les technologies d'énergie propre.

History

Des corrélations empiriques entre le matériau d'électrode et l'activité, telles que le volcan de Trasatti pour le dégagement d'hydrogène dans les années 1970, ont été établies sur une base computationnelle quantitative par Nørskov et ses collaborateurs dans les années 2000, inaugurant la conception de catalyseurs basée sur des descripteurs, désormais standard dans le domaine.

Key figures

• Jens K. Nørskov
• Paul Sabatier
• Sergio Trasatti
• Thomas F. Jaramillo

Seminal works

• norskov2004
• seh2017
• bard2001

Frequently asked questions

Pourquoi une force de liaison intermédiaire est-elle optimale pour un catalyseur ?

Si les intermédiaires se lient trop faiblement, la surface ne peut pas activer le réactif, mais s'ils se lient trop fortement, les produits ne peuvent pas se désorber ; l'équilibre décrit par le principe de Sabatier donne une vitesse maximale pour une liaison intermédiaire.

Pourquoi la réaction de réduction de l'oxygène est-elle un défi majeur ?

Elle implique le transfert de quatre électrons et protons à travers plusieurs intermédiaires dont les énergies de liaison sont liées, de sorte qu'aucune surface unique ne les lie tous de manière optimale, laissant une surtension intrinsèque qui limite l'efficacité des piles à combustible.