Confiner l'eau pour de meilleurs rendements

Publié par Redbran le 20/08/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Certaines réactions sont boostées par l'électricité via un électrolyte qui assure la conduction des ions et des réactifs. Mais dans le cas d'électrolytes aqueux, l'eau ne se contente pas d'être un simple solvant: elle va aussi réagir et former de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.).

Afin de mieux comprendre ce phénomène, des chercheurs des laboratoires CSE (CNRS/Sorbonne Université/Collège de France), PHENIX (CNRS/Sorbonne Université) et CEMHTI (CNRS) ont développé une méthode pour confiner les molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), et ainsi séparer leur comportement de réactif et de solvant. Ces travaux, publiés dans la revue Nature Catalysis, illustrent le rôle complexe du milieu réactionnel dans la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de production d'hydrogène vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur,...). Ils pourraient aussi conduire à une meilleure valorisation du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux...) et production d'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet...).


En jouant sur les concentrations en eau et en cation, les expérimentateurs peuvent moduler la taille et la composition chimique des nanoréacteurs (en rouge) ainsi que leur réactivité. © Dubouis et al.

Certaines réactions chimiques, comme la production d'hydrogène, nécessitent un apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) conséquent et consomment donc de l'énergie souvent fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un animal ou d'un...). Afin de limiter les émissions de CO2, ces énergies fossiles peuvent être substituées par de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) apportée via des électrodes: on parle alors d'électrocatalyse. Cette technique permet en particulier la réduction de différentes molécules, comme l'eau (H2O) pour en tirer du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de...) (H2). Le dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (CO2) peut lui aussi être cassé et recombiné en hydrocarbures plus complexes, tandis que la réduction du diazote (Le diazote, couramment nommé « azote » de manière incorrecte, est le nom de la molécule diatomique composée de deux atomes...) (N2) permet d'obtenir de l'ammoniac (NH3) pour des engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments...) et des espèces organiques à fortes valeurs ajoutées. Différentes espèces, comme le CO2 et le N2, doivent être dissoutes dans de l'eau qui leur sert de solvant. Cependant, l'eau réagit elle aussi à cause de l'électricité.

Le détail des réactions en jeu et de leur cinétique est alors difficile à suivre, et donc à optimiser. Des chercheurs des laboratoires Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) du solide et de l'énergie (CSE, CNRS/Sorbonne Université/Collège de France), Physico-chimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (PHENIX, CNRS/Sorbonne Université) et Conditions extrêmes et matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.): haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) et irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants :...) (CEMHTI, CNRS) proposent une nouvelle approche méthodologique pour étudier en profondeur ces mécanismes, en confinant l'eau.

Les chimistes ont ici placé l'eau dans un solvant organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) et inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), dans lequel les molécules d'eau ont tendance à se confiner en groupes distincts, plutôt que de se répartir aléatoirement. L'équipe a contrôlé et amplifié le phénomène en jouant sur les teneurs en eau, en sel et en solvant organique, obtenant ainsi des nanoréacteurs d'eau: des minuscules agrégats d'eau et de sel. L'action de l'eau en tant que réactif y est alors bien distincte de son action en tant que solvant, ce qui permet d'étudier finement les différences entre ces deux comportements.

Les chercheurs, tous membres du Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), espèrent qu'une meilleure maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) des nanodomaines aiderait à fixer le potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) auquel l'eau réagit, afin de contrôler à quel point (Graphie) elle intervient ou non dans la réduction d'espèces dissoutes en elle. Cela permettrait alors d'améliorer les rendements pour la production d'hydrogène vert, mais aussi de la réduction du CO2 et du N2, et donc de produire les mêmes quantités avec moins d'énergie.

Référence:
Nicolas Dubouis, Alessandra Serva, Roxanne Berthin, Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Jeanmairet, Benjamin Porcheron, Élodie Salager, Mathieu Salanne & Alexis Grimaud. Tuning water reduction through controlled nanoconfinement within an organic liquid matrix (Matrix (en France), La Matrice (au Québec) (The Matrix) est un film de science-fiction réalisé par les frères Andy et Larry Wachowski et sorti en 1999. Inspiré entre autre de l'épisode...). Nature Catalysis, 27/07/20.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-020-0482-5

Contacts:
- Alexis Grimaud - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...) (CSE) - alexis.grimaud at college-de-france.fr
- Mathieu Salanne - chercheur (PHENIX) - mathieu.salanne at sorbonne-universite.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) - inc.communication at cnrs.fr
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