Pour développer efficacement des électrocatalyseurs, il est essentiel de comprendre les propriétés physiques de l’interface solide-liquide. Les progrès de la microscopie à force atomique (AFM) peuvent permettre l’imagerie du profil de hauteur des nanostructures, ainsi que le courant électrique et la force de friction à cette interface.
Superposez le signal actuel sur une représentation 3D de l’image d’élévation. Cela montre clairement des régions semblables à des îles. La méthode nouvellement développée a été utilisée pour balayer la surface d’un matériau catalyseur bimétallique en milieu aqueux. La figure montre la superposition du signal de courant sur une représentation 3D de l’image d’élévation. Cela montre clairement des régions semblables à des îles. Crédit : M.Munz/FHI/HZB
Une étude récente publiée dans Journal de l’American Chemical Society Il a évalué avec succès les matériaux électroactifs et a obtenu des informations précieuses qui pourraient faciliter l’optimisation des électrocatalyseurs. En outre, cette méthode montre un potentiel pour explorer les mécanismes des électrodes de batterie, de la photocatalyse et des matériaux bioactifs.
Déterminer les propriétés des interfaces solide-liquide
Les caractéristiques locales des interfaces solide-liquide affectent l’efficacité globale des processus catalytiques importants, tels que la conversion électrocatalytique du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène, ainsi que le stockage d’énergie électrocatalytique sur batterie.
Le développement de connexions structurelles fiables dans des conditions de réaction en phase liquide est essentiel pour la conception de (photo)électrocatalyseurs sophistiqués. Cependant, cela pose de nombreux défis, tels que la cartographie précise des impulsions électriques dans les systèmes photoélectrochimiques et l’identification des points de corrosion et des processus de vieillissement des matériaux.
En outre, la compréhension de l’arrangement interfacial des molécules d’eau et des ions électrolytiques, ainsi que leur influence sur le transfert d’électrons interfacial, est essentielle pour optimiser les environnements microélectrochimiques.
fileté Sur site L’analyse est essentielle pour examiner les interactions entre les propriétés mécaniques, électriques et électrochimiques à des échelles de longueur comparables avec des caractéristiques interfaciales caractéristiques pour résoudre ces problèmes.
Microscopie à force atomique pour l’analyse des interfaces solide-liquide
La microscopie à force atomique conductrice (c-AFM) est une technique puissante pour l’imagerie des variations locales de la conductivité électrique au niveau des surfaces, offrant une résolution latérale élevée en mode contact. Cela en fait un outil prometteur pour Sur site Imagerie corrélative des interfaces solide-liquide.
La précision de l’imagerie actuelle dans les modes de contact est affectée par plusieurs variables, notamment la charge, le rayon de la pointe, la force d’adhérence locale et la déformation de surface. Bien que la plupart des études précédentes aient été menées dans l’air ou dans le vide, d’autres ont utilisé des liquides non polaires pour générer des conditions inertes.
Cependant, beaucoup reste à explorer avec c-AFM, en particulier dans les liquides polaires liés à l’électrostimulation. À ce jour, il n’y a eu aucun rapport sur l’utilisation de l’imagerie c-AFM dans les liquides polaires en conjonction avec l’imagerie par force de friction.
Néanmoins, cette technique a un grand potentiel pour étudier un large éventail de phénomènes, des propriétés de frottement aux interfaces solide-liquide à l’optimisation des catalyseurs.
Faits saillants de l’étude en cours
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé la microscopie à force atomique de conduction (c-AFM) pour étudier le potentiel des électrocatalyseurs cuivre-or nanostructurés et bimétalliques pour conduire l’électrolyte de dioxyde de carbone.
La recherche vise à donner un aperçu à l’échelle nanométrique de la relation entre le courant local et la force de frottement, qui est affectée par l’accumulation de la couche d’hydratation moléculaire à l’interface catalyseur-électrolyte-sonde.
Dans l’expérience, une pointe très pointue a été utilisée pour balayer la surface du catalyseur, et le profil de hauteur de la pointe a été enregistré. La pointe était attachée à un porte-à-faux miniature, ce qui permet de mesurer avec une grande sensibilité les interactions de force entre la pointe et la surface de l’échantillon, y compris les forces de frottement.
« Cela nous a permis de déterminer simultanément la conductivité électrique, le frottement chimique et mécanique et les propriétés morphologiques in situ (c’est-à-dire dans des conditions pertinentes en phase liquide plutôt que dans le vide ou dans l’air).Christopher Kelly, co-auteur de l’étude.
perspectives d’avenir
Les chercheurs ont fait une innovation Sur site Une approche de microscopie à force atomique corrélative qui permet l’imagerie simultanée des propriétés électriques, du frottement chimique et de la morphologie locale de l’électrocatalyseur en milieu aqueux et sous contrôle de potentiel.
En étudiant les électrocatalyseurs bimétalliques or-cuivre, les chercheurs peuvent observer des îlots d’oxyde de cuivre avec une résistivité électrique plus élevée, des joints de grains et des régions de faible conductivité dans la couche d’eau.
Ces découvertes sur les interfaces solide-liquide permettent de les améliorer de manière ciblée. Les chercheurs ont également déterminé les environnements électrochimiques locaux qui influencent le transfert de charge à l’interface.
L’étude montre que Sur site L’AFM conductrice combinée à la microscopie à force latérale peut être largement appliquée à la caractérisation à l’échelle nanométrique des interfaces électrifiées solide-liquide.
Cette recherche est précieuse pour la recherche énergétique, les systèmes de batteries et dans d’autres domaines tels que les processus de corrosion, les systèmes de nanocapteurs et les sciences des fluides et de l’environnement. D’autres recherches dans ce domaine ont le potentiel d’améliorer la compréhension des processus de conversion électrochimique, qui pourraient jouer un rôle important dans le développement de technologies économes en énergie.
référence
Mons, M, et al. (2023). Variables de transfert d’électrons de nanoparticules aux interfaces électrocatalyseur-électrolyte résolues par microscopie à force atomique in situ. Journal de l’American Chemical Society. Disponible à: https://doi.org/10.1021/jacs.2c12617
source: Association Helmholtz des centres de recherche allemands
