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Le dioxyde de carbone (CO₂), produit de la combustion de combustibles fossiles et gaz à effet de serre le plus répandu, peut être reconverti en combustibles utiles de manière durable. La réduction électrochimique est une méthode prometteuse pour convertir les émissions de CO₂ en combustible. Cependant, pour être commercialement viable, ce procédé doit être amélioré afin de sélectionner ou de produire davantage de produits riches en carbone. Comme l'indique la revue Nature Energy, le Laboratoire national Lawrence-Berkeley (Berkeley Lab) a développé une nouvelle méthode pour améliorer la surface du catalyseur au cuivre utilisé pour la réaction auxiliaire, augmentant ainsi la sélectivité du procédé.
« Bien que nous sachions que le cuivre est le meilleur catalyseur pour cette réaction, il n'offre pas une sélectivité élevée pour le produit souhaité », a déclaré Alexis, chercheur principal au département de sciences chimiques du laboratoire de Berkeley et professeur de génie chimique à l'Université de Californie à Berkeley. Spell a ajouté : « Notre équipe a découvert qu'il est possible d'utiliser l'environnement local du catalyseur pour réaliser diverses astuces permettant d'obtenir ce type de sélectivité. »
Lors d'études antérieures, les chercheurs ont établi des conditions précises pour créer le meilleur environnement électrique et chimique possible afin de créer des produits riches en carbone à valeur commerciale. Cependant, ces conditions sont contraires à celles naturellement présentes dans les piles à combustible classiques utilisant des matériaux conducteurs à base d'eau.
Afin de déterminer la conception utilisable dans l'environnement aqueux des piles à combustible, dans le cadre du projet Centre d'innovation énergétique de la Liquid Sunshine Alliance du ministère de l'Énergie, Bell et son équipe ont utilisé une fine couche d'ionomère, qui laisse passer certaines molécules chargées (ions). Exclure d'autres ions. Grâce à leurs propriétés chimiques hautement sélectives, ils sont particulièrement adaptés pour avoir un impact important sur le microenvironnement.
Chanyeon Kim, chercheur postdoctoral au sein du groupe Bell et premier auteur de l'article, a proposé de revêtir la surface des catalyseurs au cuivre de deux ionomères courants, le Nafion et le Sustainion. L'équipe a émis l'hypothèse que cette méthode modifierait l'environnement proche du catalyseur, notamment le pH et la quantité d'eau et de dioxyde de carbone, afin d'orienter la réaction vers la production de produits riches en carbone, facilement transformables en produits chimiques utiles. Produits et carburants liquides.
Les chercheurs ont appliqué une fine couche de chaque ionomère et une double couche de deux ionomères sur un film de cuivre supporté par un matériau polymère afin de former un film qu'ils ont pu insérer près d'une extrémité d'une cellule électrochimique en forme de main. En injectant du dioxyde de carbone dans la batterie et en appliquant une tension, ils ont mesuré le courant total traversant la batterie. Ils ont ensuite mesuré le gaz et le liquide recueillis dans le réservoir adjacent pendant la réaction. Dans le cas des deux couches, ils ont constaté que les produits riches en carbone représentaient 80 % de l'énergie consommée par la réaction, contre plus de 60 % dans le cas sans revêtement.
« Ce revêtement sandwich offre le meilleur des deux mondes : une sélectivité élevée du produit et une activité élevée », a déclaré Bell. La surface à double couche est non seulement adaptée aux produits riches en carbone, mais génère également un fort courant, indiquant une augmentation de l'activité.
Les chercheurs ont conclu que cette amélioration de la réponse résultait de la forte concentration de CO₂ accumulée dans le revêtement directement sur le cuivre. De plus, les molécules chargées négativement qui s'accumulent entre les deux ionomères produisent 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 ont eu recours à une technologie déjà éprouvée, ne nécessitant pas de film ionomère, comme autre méthode pour augmenter le CO₂ et le pH : la tension pulsée. En appliquant une tension pulsée au revêtement ionomère double couche, les chercheurs ont obtenu une augmentation de 250 % des produits riches en carbone par rapport au cuivre non revêtu et à la tension statique.
Bien que certains chercheurs concentrent leurs travaux sur le développement de nouveaux catalyseurs, leur découverte ne prend pas en compte les conditions opératoires. Le contrôle de l'environnement à la surface du catalyseur constitue une méthode nouvelle et innovante.
« Nous n'avons pas mis au point un catalyseur totalement nouveau, mais nous avons utilisé notre compréhension de la cinétique des réactions pour nous guider dans notre réflexion sur la manière de modifier l'environnement du site du catalyseur », a déclaré Adam Weber, ingénieur principal et chercheur en technologie énergétique aux Laboratoires de Berkeley, et co-auteur des articles.
La prochaine étape consiste à étendre la production de catalyseurs enrobés. Les expériences préliminaires de l'équipe du Berkeley Lab ont porté sur de petits systèmes modèles plats, bien plus simples que les structures poreuses de grande surface requises pour les applications commerciales. « Appliquer un revêtement sur une surface plane n'est pas difficile. Mais les méthodes commerciales peuvent impliquer l'enrobage de minuscules billes de cuivre », a déclaré Bell. L'ajout d'une deuxième couche de revêtement devient complexe. Une possibilité consiste à mélanger et déposer les deux revêtements ensemble dans un solvant, en espérant qu'ils se séparent lors de l'évaporation du solvant. Et si ce n'est pas le cas ? Bell a conclu : « Il faut simplement être plus intelligent. » Voir Kim C, Bui JC, Luo X et al. Microenvironnement catalytique personnalisé pour l'électro-réduction du CO2 en produits multicarbonés à l'aide d'un revêtement ionomère double couche sur cuivre. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Date de publication : 22 novembre 2021
