Comment la tension pousse-t-elle les catalyseurs non métalliques à effectuer des réactions électrocatalytiques ?

Comprendre comment la tension pousse les électrocatalyseurs à l’échelle nanométrique à initier des réactions est une question scientifique fondamentale. Ceci est particulièrement difficile lorsqu’il s’agit d’électrocatalyseurs non métalliques en raison de leur faible concentration inhérente en porteurs, ce qui conduit à une mauvaise conductivité. Lorsqu’une tension est appliquée à l’interface non-métal/solution, la situation devient plus complexe que dans le cas des interfaces métal/solution.

Une complexité notable est la chute de potentiel significative au sein du non-métal, ce qui fait que le potentiel de surface s’écarte souvent du potentiel arrière. L’analyse de la force motrice des réactions chimiques en appliquant des modèles métalliques classiques à des non-métaux peut entraîner des inexactitudes substantielles.

Jusqu’à présent, distinguer la répartition potentielle entre le catalyseur non métallique et l’EDL repose encore sur des calculs théoriques complexes. La chute de potentiel réelle à l’interface semi-conducteur-électrolyte reste inconnue, en raison du manque de techniques in situ.

De plus, la caractérisation électrochimique conventionnelle ne fournit que des informations d’ensemble sur les matériaux d’électrode, négligeant l’hétérogénéité spatiale des structures électroniques des catalyseurs. Par conséquent, une technique de caractérisation in situ résolue spatialement est absolument nécessaire.

Dans un nouvel article de recherche publié dans Revue scientifique nationaledes scientifiques de l’Institut de physique chimique de Dalian, de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université de Xiamen, de l’Université de l’Académie chinoise des sciences, de l’Imperial College de Londres ont construit de manière autonome un microscope à potentiel de surface in situ et ont mesuré avec succès le potentiel de surface du plan basal du bisulfure de molybdène 2H. sous diverses tensions.

Cette réalisation répond au défi expérimental consistant à mesurer directement la distribution de potentiel à l’interface non-métal/solution. Les résultats de la recherche mettent en évidence une différence notable dans la façon dont le potentiel de surface des semi-conducteurs change avec la tension appliquée par rapport aux métaux.

Lorsqu’ils appliquent une tension du positif au négatif, les semi-conducteurs passent du maintien d’un potentiel de surface stable à l’affichage de variations, ressemblant progressivement au comportement des métaux. Les scientifiques ont en outre clarifié les différences de valeurs de chute de potentiel à différentes tensions appliquées entre le semi-conducteur (ΔVsem) et la double couche (ΔVedl).

Ils ont clairement expliqué comment, dans un environnement de solution, le niveau de Fermi et la structure de bande du semi-conducteur évoluent, démontrant une transformation du semi-conducteur en un semi-métal hautement conducteur.

Pour étudier plus en détail le rôle de la tension dans les réactions électrocatalytiques, les scientifiques ont utilisé la microscopie électrochimique à balayage de force atomique (AFM-SECM) pour étudier l’imagerie du transfert d’électrons (ET) et de la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) sur le bisulfure de molybdène. En imagerie ET, le plan basal du semi-conducteur présentait une forte capacité de transfert d’électrons, comparable à celle du bord semi-métallique. Cependant, l’imagerie HER a révélé une inertie catalytique au niveau du plan basal.

Les résultats de l’imagerie nanoélectrochimique ont indiqué que la tension n’affecte que l’étape ET. En raison de l’absence de sites d’adsorption d’hydrogène sur le plan basal (c’est-à-dire de sites chimiques), la tension ne peut pas amener les électrons du plan basal à participer davantage aux réactions chimiques. Ce travail ouvre la voie à la conception rationnelle d’électrocatalyseurs non métalliques efficaces, basée sur la compréhension de la manière dont la tension agit sur les catalyseurs non métalliques à l’échelle nanométrique.