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Le dioxyde de carbone (CO2) est le produit de la combustion de combustibles fossiles et du gaz à effet de serre le plus courant, qui peut être transformé en combustibles utiles de manière durable. Un moyen prometteur de convertir les émissions de CO2 en matières premières de carburant est un processus appelé réduction électrochimique. Mais pour être commercialement viable, le processus doit être amélioré pour sélectionner ou produire des produits plus riches en carbone souhaités. Maintenant, comme indiqué dans la revue Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a développé une nouvelle méthode pour améliorer la surface du catalyseur de cuivre utilisé pour la réaction auxiliaire, augmentant ainsi la sélectivité du processus.
"Bien que nous sachions que le cuivre est le meilleur catalyseur de cette réaction, il ne fournit pas de sélectivité élevée pour le produit souhaité", a déclaré Alexis, scientifique principal du Département de sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur de génie chimique à l'Université de Californie à Berkeley. Spell dit. «Notre équipe a constaté que vous pouvez utiliser l'environnement local du catalyseur pour faire diverses astuces pour fournir ce type de sélectivité.»
Dans des études antérieures, les chercheurs ont établi des conditions précises pour fournir le meilleur environnement électrique et chimique pour créer des produits riches en carbone avec une valeur commerciale. Mais ces conditions sont contraires aux conditions qui se produisent naturellement dans les piles à combustible typiques à l'aide de matériaux conducteurs à base d'eau.
Afin de déterminer la conception qui peut être utilisée dans l'environnement de l'eau des piles à combustible, dans le cadre du projet du Centre d'innovation énergétique de l'Alliance Liquid Sunshine du ministère de l'Énergie, Bell et son équipe se sont transformés en une mince couche d'ionomère, qui permet de passer certaines molécules (ions) chargées. Exclure d'autres ions. En raison de leurs propriétés chimiques hautement sélectives, ils sont particulièrement adaptés à un fort impact sur le microenvironnement.
Chanyeon Kim, un chercheur postdoctoral dans le groupe Bell et le premier auteur de l'article, a proposé de recouvrir la surface des catalyseurs de cuivre avec deux ionomères communs, Nafion et Sustainion. L'équipe a émis l'hypothèse que cela devrait changer l'environnement près du catalyseur - y compris le pH et la quantité d'eau et de dioxyde de carbone - dans un moyen de diriger la réaction pour produire des produits riches en carbone qui peuvent être facilement convertis en produits chimiques utiles. Produits et combustibles liquides.
Les chercheurs ont appliqué une fine couche de chaque ionomère et une double couche de deux ionomères à un film de cuivre soutenu par un matériau polymère pour former un film, qu'ils pourraient insérer près d'une extrémité d'une cellule électrochimique en forme de main. Lors de l'injection de dioxyde de carbone dans la batterie et de l'application de la tension, ils ont mesuré le courant total traversant la batterie. Ensuite, ils ont mesuré le gaz et le liquide collectés dans le réservoir adjacent pendant la réaction. Pour le cas à deux couches, ils ont constaté que les produits riches en carbone représentaient 80% de l'énergie consommée par la réaction - plus élevé que 60% dans le cas non enduit.
"Ce revêtement sandwich offre le meilleur des deux mondes: une sélectivité élevée de produits et une activité élevée", a déclaré Bell. La surface à double couche est non seulement bonne pour les produits riches en carbone, mais génère également un courant fort en même temps, indiquant une augmentation de l'activité.
Les chercheurs ont conclu que la réponse améliorée était le résultat de la concentration élevée de CO2 accumulée dans le revêtement directement au-dessus du cuivre. De plus, les molécules chargées négativement qui s'accumulent dans la région entre les deux ionomères produiront une acidité locale plus faible. Cette combinaison compense les compromis de concentration qui ont tendance à se produire en l'absence de films ionomères.
Afin d'améliorer encore l'efficacité de la réaction, les chercheurs se sont tournés vers une technologie précédemment éprouvée qui ne nécessite pas de film ionomère comme autre méthode pour augmenter le CO2 et le pH: tension pulsée. En appliquant une tension pulsée au revêtement ionomère à double couche, les chercheurs ont atteint une augmentation de 250% des produits riches en carbone par rapport au cuivre non enduit et à la tension statique.
Bien que certains chercheurs concentrent leur travail sur le développement de nouveaux catalyseurs, la découverte du catalyseur ne prend pas en compte les conditions de fonctionnement. Le contrôle de l'environnement sur la surface du catalyseur est une méthode nouvelle et différente.
"Nous n'avons pas trouvé un catalyseur complètement nouveau, mais avons utilisé notre compréhension de la cinétique de réaction et utilisé ces connaissances pour nous guider en réfléchissant à la façon de changer l'environnement du site de catalyseur", a déclaré Adam Weber, ingénieur principal. Les scientifiques dans le domaine de la technologie énergétique chez Berkeley Laboratories et co-auteur des articles.
L'étape suivante consiste à étendre la production de catalyseurs revêtus. Les expériences préliminaires de l'équipe de Berkeley Lab impliquaient de petits systèmes de modèles plats, qui étaient beaucoup plus simples que les structures poreuses à grande région requises pour les applications commerciales. "Il n'est pas difficile d'appliquer un revêtement sur une surface plane. Mais les méthodes commerciales peuvent impliquer le revêtement de minuscules boules de cuivre", a déclaré Bell. L'ajout d'une deuxième couche de revêtement devient difficile. Une possibilité est de mélanger et de déposer les deux revêtements ensemble dans un solvant, et d'espérer qu'ils se séparent lorsque le solvant s'évapore. Et s'ils ne le font pas? Bell a conclu: «Nous avons juste besoin d'être plus intelligents.» Reportez-vous à Kim C, Bui JC, Luo X et autres. Microenvironnement de catalyseur personnalisé pour l'électro-réduction de CO2 en produits multi-carbone en utilisant un revêtement ionomère à double couche sur le cuivre. Nat Energy. 2021; 6 (11): 1026-1034. doi: 10.1038 / s41560-021-00920-8
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