L’équipe des professeurs Wang Tao, Zhou Zhiyou et Sun Shigang, de l’École de chimie et de génie chimique de l’Université de Xiamen, en collaboration avec le professeur Huang Jun du Centre de recherche de Jülich en Allemagne, ainsi que le professeur associé Chen Junxiang de l’Institut de recherche sur la structure de la matière de Fujian, Académie chinoise des sciences, a révélé, grâce à une méthode combinant la spectroscopie infrarouge par réflexion-absorption en surface améliorée à résolution temporelle et la simulation de dynamique moléculaire par apprentissage automatique, la structure moléculaire interfaciale et les lois d’évolution dynamique de la double couche électrique lorsqu’elle est loin de l’équilibre. Ces résultats ont été publiés le 2 septembre dans la revue scientifique internationale *Nature*.
L’interface solide-liquide chargée est le lieu central où se déroulent les processus de conversion d’énergie et de matière. Dans la région nanométrique où l’électrode entre en contact avec l’électrolyte, les charges de surface de l’électrode, les ions et les molécules d’eau forment ensemble une « double couche électrique ». Cette région interfaciale, dont l’épaisseur n’est que de l’ordre du nanomètre, présente pourtant un champ électrique local extrêmement intense, qui influence directement des processus tels que l’adsorption moléculaire et le transport ionique. Jusqu’à présent, la théorie classique de la double couche électrique considérait celle-ci comme une structure statique et incompressible, ce qui rendait difficile l’explication du processus de restructuration en temps réel des ions, des molécules d’eau et du champ électrique local au sein de la double couche, dans des conditions de fonctionnement réelles d’électrocatalyse loin de l’équilibre.
L’équipe de recherche a établi un cadre expérimental-théorique intégrant la spectroscopie infrarouge par réflexion-absorption en surface améliorée à résolution temporelle et la simulation de dynamique moléculaire par apprentissage automatique. Elle a ainsi analysé la structure moléculaire interfaciale et l’évolution dynamique de la double couche électrique loin de l’équilibre dans les conditions de la réaction de dégagement d’hydrogène (HER), et a en outre développé un modèle de double couche électrique compressible capable de décrire l’interface réactionnelle réelle.
L’étude révèle qu’avec l’augmentation de la polarisation, la couche interne de la double couche électrique de l’électrode métallique subit une restructuration en deux étapes distinctes. Dans la première étape, l’eau interfaciale change d’orientation ; avec l’intensification supplémentaire de la polarisation, la deuxième étape s’amorce : les cations s’enrichissent à l’interface et subissent une déshydratation partielle, tandis qu’une partie de l’eau interfaciale est expulsée, provoquant un effondrement de la structure de la couche interne de la double couche électrique. Ce résultat fournit une preuve spectroscopique directe de l’hypothèse de compressibilité de la couche interne de la double couche électrique.
Plus important encore, lorsque le potentiel subit un saut inverse, l’expansion de la double couche électrique ne se rétablit pas simplement le long du chemin d’origine ; elle s’accompagne plutôt du départ rapide des cations à forte concentration de l’interface de l’électrode, formant une structure transitoire intermédiaire à forte teneur en eau libre. Parallèlement, la restructuration dynamique de la double couche électrique ne constitue pas seulement un changement structurel : elle modifie également directement le champ électrique local au site de la réaction. À mesure que les cations se déshydratent partiellement et se rapprochent de l’électrode, la concentration ionique dans la double couche augmente rapidement, l’épaisseur de la couche interne diminue et le champ électrique local à l’interface s’intensifie considérablement. Cela indique que la relation entre le potentiel d’électrode appliqué et le champ électrique local réellement ressenti par les réactifs n’est pas une simple correspondance linéaire, mais qu’elle est régulée dynamiquement par la microstructure de la double couche électrique.
Cette étude met en lumière la nature dynamique de la « réponse asynchrone ions-eau » dans la double couche électrique loin de l’équilibre, élargissant ainsi la compréhension scientifique de l’interface électrochimique, qui passe d’une structure stationnaire traditionnelle à une évolution dynamique au cours du processus réactionnel réel.