Repenser les interfaces électrochimiques
Rethinking electrochemical interfaces
Arsène Chemin et David Amans (équipe Luminescence) en collaboration avec des collègues de Berlin, ont publié un article intitulé "The role of the Helmholtz potential on electrocatalytic activity" dans la revue Nature Communications.
Arsène Chemin and David Amans (Luminescence team), in collaboration with colleagues from Berlin, have published an article entitled "The role of the Helmholtz potential on electrocatalytic activity" in the journal Nature Communications.
L’électrification de notre société est indispensable pour réduire les émissions de carbone et notre dépendance énergétique. Pour y parvenir, nous avons besoin d’électrocatalyseurs efficaces et durables — des matériaux qui permettent d’activer des réactions chimiques à l’aide de l’électricité, par exemple pour transformer le CO2 en produits utiles ou produire de l’hydrogène à partir d’eau.
Pourtant, nous ne comprenons pas encore clairement ce qui se passe à la frontière entre une électrode solide et un électrolyte liquide, là où ces réactions ont lieu. Cette interface est complexe, car elle implique à la fois la physique du matériau solide et la chimie du liquide. Dans ce travail, nous proposons un cadre unifié qui relie ces deux approches. Nous révélons l’origine fondamentale de la séparation des charges à l’interface, la formation de la double couche électrique et son influence sur le potentiel électrique local. Ce faisant, nous étendons le modèle classique de Butler–Volmer, utilisé pour décrire les réactions électrochimiques, et allons au-delà du principe traditionnel de Sabatier.
Cette nouvelle perspective permet une compréhension plus approfondie des réactions électrochimiques aux interfaces solide-liquide et pourrait guider la conception de matériaux plus performants pour des applications telles que l’électrocatalyse, les batteries et les technologies de conversion d’énergie.
Pourtant, nous ne comprenons pas encore clairement ce qui se passe à la frontière entre une électrode solide et un électrolyte liquide, là où ces réactions ont lieu. Cette interface est complexe, car elle implique à la fois la physique du matériau solide et la chimie du liquide. Dans ce travail, nous proposons un cadre unifié qui relie ces deux approches. Nous révélons l’origine fondamentale de la séparation des charges à l’interface, la formation de la double couche électrique et son influence sur le potentiel électrique local. Ce faisant, nous étendons le modèle classique de Butler–Volmer, utilisé pour décrire les réactions électrochimiques, et allons au-delà du principe traditionnel de Sabatier.
Cette nouvelle perspective permet une compréhension plus approfondie des réactions électrochimiques aux interfaces solide-liquide et pourrait guider la conception de matériaux plus performants pour des applications telles que l’électrocatalyse, les batteries et les technologies de conversion d’énergie.
The electrification of our society is essential to reduce carbon emissions and energy dependence. Achieving this requires efficient and durable electrocatalysts—materials that enable chemical reactions using electricity—for example to convert CO2 into useful products or to produce hydrogen from water.
However, we still lack a clear understanding of what happens at the boundary between a solid electrode and a liquid electrolyte, where these reactions take place. This interface is complex, as it involves both the physics of the solid material and the chemistry of the liquid. In this work, we introduce a unified framework that connects these two perspectives. We uncover the fundamental origin of charge separation at the interface, the formation of the electric double layer, and its impact on the local electric potential. In doing so, it extends the classical Butler–Volmer model used to describe electrochemical reactions and goes beyond the traditional Sabatier principle.
This new perspective provides a deeper understanding of electrochemical reactions at solid–liquid interfaces and could help guide the design of more efficient materials for applications such as electrocatalysis, batteries, and energy conversion technologies.
However, we still lack a clear understanding of what happens at the boundary between a solid electrode and a liquid electrolyte, where these reactions take place. This interface is complex, as it involves both the physics of the solid material and the chemistry of the liquid. In this work, we introduce a unified framework that connects these two perspectives. We uncover the fundamental origin of charge separation at the interface, the formation of the electric double layer, and its impact on the local electric potential. In doing so, it extends the classical Butler–Volmer model used to describe electrochemical reactions and goes beyond the traditional Sabatier principle.
This new perspective provides a deeper understanding of electrochemical reactions at solid–liquid interfaces and could help guide the design of more efficient materials for applications such as electrocatalysis, batteries, and energy conversion technologies.
Piloter des écoulements à l’aide de bactéries et d’aimants
Controlling fluid flows with bacteria and magnets
Utiliser des micro-nageurs biologiques comme des entités contrôlables pour accomplir des tâches spécifiques est une idée qui semble émaner directement d’un roman de science-fiction et des propositions de Feynman sur des nano-robots chirurgiens du futur. Pourtant la plupart des micro-organismes sont capables de répondre à des signaux issus de leur environnement et se pose ainsi la question d’utiliser ces capacités pour domestiquer leur énergie de nage.
Nous avons pour cela utilisé des bactéries magnétotactiques, ayant la particularité de s’orienter dans un champ magnétique, telle une boussole, et de se concentrer dans les régions où la concentration en oxygène y est la plus favorable pour leur métabolisme. En les rassemblant sous forme de bande grâce à la répartition en oxygène, nous avons ainsi montré que l’orientation du champ magnétique permet de contrôler la génération d’écoulement simples dans le fluide. Ce résultat constitue un premier pas vers l’obtention de fluides pilotables.
Controlling fluid flows with bacteria and magnets
Cécile Cottin-Bizonne and Christophe Ybert (Liquids and Interfaces team), with colleagues from Saint Paul-Lez-Durance and Riga, published an article entitled "Driven shear flow in biological magneto-active fluids" in the journal Physical Review Letters.Using living motile micro-organisms as controllable objects to perform dedicated tasks echoes SF literature and famous Feynman’s thoughts about nano-surgeons. Since micro-organisms naturally respond to environmental stimuli, we have explored how these taxes can be used to harvest their incoherent swimming energy.
Magnetotactic bacteria form a peculiar type of microorganism with the dual ability to orient as a compass needle in magnetic fields and to accumulate at locations corresponding to their preferred oxygen concentration. We demonstrated that once gathered into a band structure in response to the oxygen background, tuning the magnetic field orientation allowed us to generate controllable flows from simple shear to vortices. This is a first step towards the design of controllable fluids.
Auréoles divergentes
Diverging halos
Une goutte d’eau déposée sur une surface nanoporeuse « transpire » à travers les pores, formant une zone humide annulaire (auréole ou halo) autour d’elle. Les auteurs ont observé que ce halo se comporte de manière inattendue en fonction de l’humidité ambiante : il peut s’étendre, se contracter, ou même diverger au-delà d’un seuil critique à cause d’effets liés au confinement nanométrique. En combinant théorie et expériences sur des fines couches nanoporeuses, les chercheurs montrent que l’humidité relative agit comme un véritable levier de contrôle pour moduler l’infiltration des liquides. Ces résultats pourraient avoir des applications variées, par exemple en récupération d’eau, conversion d’énergie, impression haute précision, ou développement de matériaux intelligents sensibles à l’humidité.
Diverging halos
Joachim Trosseille, Hugo Bellezza and Olivier Vincent (Liquids and Interfaces team) have published an article entitled "Coupled imbibition and evaporation of droplets deposited on a nanoporous layer" in the journal Langmuir.A water droplet deposited on a nanoporous surface wicks through the pores, forming an annular wet zone (or halo) around itself. The authors observed that this halo behaves unexpectedly depending on ambient humidity: it can expand, contract, or even diverge beyond a critical threshold due to nanoscale confinement effects. By combining theory and experiments on thin nanoporous layers, the researchers demonstrate that relative humidity acts as a key control parameter for tuning liquid infiltration. These findings could lead to diverse applications, including in areas such as water harvesting, energy conversion, high-precision printing, or the development of humidity-responsive smart materials.
