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Études in situ de nanomatériaux comme électrocatalyseurs pour les carburants renouvelables
Les électrocatalyseurs sont la clé pour obtenir des carburants chimiques (H2, hydrocarbures par réduction du CO2) à partir d’électricité renouvelable. En particulier, les catalyseurs les plus performants pour la synthèse de l’hydrogène sont des métaux rares et précieux comme le platine ou l’iridium. Ainsi, si nous voulons permettre l’utilisation de l’hydrogène vert à grande échelle, nous devons trouver des catalyseurs efficaces qui contiennent uniquement des éléments abondants et peu coûteux.
Nous étudions in situ le comportement d’électrocatalyseurs formés de nanomatériaux 2D, qui ont montré des promesses pour la synthèse de carburants renouvelables. La structure du catalyseur tel que synthétisé n’est pas, de manière générale, la forme active. Il est donc nécessaire d’étudier les matériaux d’électrode in situ, c’est-à-dire pendant qu’ils font leur travail de catalyse.
Nous nous concentrons sur la spectroscopie Raman in situ, une technique particulièrement adaptée à l’étude de la structure chimiques aux interfaces électrochimiques en solution aqueuse. Plus particulièrement, nous utilisons la spectroscopie Raman augmentée par la surface (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) qui permet d’obtenir une très grande sensibilité et peut être utilisée pour étudier de façon spécifique les molécules et matériaux en surface. Son utilisation nous permettra de lever le voile sur la relation entre structure à l’interface électrode/électrolyte et activité catalytique.
Nanospectroscopie Raman in situ
La spectroscopie Raman fourni une information très riche sur la structure des molécules et matériaux mais sa résolution est limitée par la diffraction de la lumière (quelques centaines de nm au mieux). C’est pourtant à l’échelle nanométrique qu’on peut le mieux étudier la structure des matériau, les sites catalytiques et le lien entre structure et activité chimique.
Nous allons donc combiner spectroscopie Raman et microscopie de surface (microscopie à force atomique, AFM, et microscopie à effet tunnel, STM) pour effectuer des expérience de nanospectroscopie Raman, aussi appelée microscopie Raman augmentée par la pointe (tip enhanced Raman spectroscopy, TERS). En TERS, l’extrémité d’une pointe en métal sert d’antenne plasmonique et amplifie le signal dans un volume de quelques nm³. On déplace alors la pointe en contact avec la surface pour créer une carte Raman de l’échantillon avec une résolution de 10 nm ou mieux.
Nous développerons le TERS pour comprendre la structure des catalyseurs in situ et obtenir des cartes de la structure chimique de la surface de ces matériaux à l’échelle nanométrique.
Combiner catalyse plasmonique et électrocatalyse
Depuis plusieurs années, l’excitation des électrons dans une structure métallique par la lumière visible (résonance plasmonique) a attiré l’attention pour son potentiel en catalyse. Contrairement à la photocatalyse usuelle, il est possible de créer des porteurs de charge énergétiques en utilisant la lumière visible et ainsi accéder à de nouveaux mécanismes de réaction.
Nous voulons utiliser des nanostructures métalliques plasmoniques, que nous maîtrisons pour leur utilisation en spectroscopie Raman SERS et TERS, pour modifier l’activité et la sélectivité de catalyseurs électrochimiques.
La réduction électrochimique du CO2 (CO2RR) est une réaction complexe et dont la sélectivité est difficile à contrôler. Le cuivre et l’argent, des matériaux plasmoniques, sont également des catalyseurs efficaces pour cette réaction. Nous allons donc étudier comment le contrôle de la résonance plasmonique de nanostructures en cuivre ou argent permet de modifier leur activité et sélectivité en tant que catalyseur pour la CO2RR par illumination avec de la lumière visible. En modifiant leur taille et leur géométrie, on pourra modifier précisément la résonance plasmonique de ces catalyseurs, ce qui nous offrira un nouveau levier pour modifier leur performance catalytique.