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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 reconverti en combustibles utiles de manière durable. Un moyen prometteur de convertir les émissions de CO2 en matière première de carburant est un processus appelé réduction électrochimique. Mais pour être commercialement viable, le processus doit être amélioré afin de sélectionner ou de produire davantage de produits riches en carbone. Aujourd'hui, comme le rapporte la revue Nature Energy, le Lawrence Berkeley National Laboratory (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 processus.
"Bien que nous sachions que le cuivre est le meilleur catalyseur pour cette réaction, il n'offre pas une grande sélectivité pour le produit souhaité", a déclaré Alexis, scientifique principal au Département des sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur de génie chimique à l'Université. de Californie, Berkeley. Dit le sort. "Notre équipe a découvert qu'il était possible d'utiliser l'environnement local du catalyseur pour réaliser diverses astuces permettant d'obtenir ce type de sélectivité."
Dans des études antérieures, les chercheurs ont établi des conditions précises pour fournir le meilleur environnement électrique et chimique permettant de créer des produits riches en carbone ayant une valeur commerciale. Mais ces conditions sont contraires aux conditions qui se produisent naturellement dans les piles à combustible typiques utilisant des matériaux conducteurs à base d’eau.
Afin de déterminer la conception pouvant être utilisée dans l'environnement aquatique des piles à combustible, dans le cadre du projet Energy Innovation Center de la Liquid Sunshine Alliance du ministère de l'Énergie, Bell et son équipe se sont tournés vers une fine couche d'ionomère, qui permet à certaines particules chargées molécules (ions) à traverser. Excluez les autres ions. En raison de leurs propriétés chimiques hautement sélectives, ils sont particulièrement adaptés pour avoir un fort impact sur le microenvironnement.
Chanyeon Kim, chercheur postdoctoral au sein du groupe Bell et premier auteur de l'article, a proposé de recouvrir la surface des catalyseurs en cuivre avec deux ionomères courants, le Nafion et le Sustainion. L’équipe a émis l’hypothèse que cela devrait modifier l’environnement à proximité du catalyseur, y compris le pH et la quantité d’eau et de dioxyde de carbone, d’une manière ou d’une autre pour orienter la réaction afin de produire des produits riches en carbone pouvant 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 sur 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 d’une tension, ils ont mesuré le courant total circulant dans 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, soit plus de 60 % dans le cas non revêtu.
« Ce revêtement sandwich offre le meilleur des deux mondes : une sélectivité élevée des 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 en même temps un fort courant, 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 sur le cuivre. De plus, les molécules chargées négativement qui s’accumulent dans la région située 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 déjà éprouvée qui ne nécessite 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, la découverte du catalyseur ne prend pas en compte les conditions opératoires. Le contrôle de l’environnement à la surface du catalyseur est une méthode nouvelle et différente.
"Nous n'avons pas mis au point un catalyseur complètement nouveau, mais nous avons utilisé notre compréhension de la cinétique de réaction et avons utilisé ces connaissances pour nous guider dans notre réflexion sur la manière de modifier l'environnement du site du catalyseur", a déclaré Adam Weber, ingénieur principal. Scientifiques dans le domaine de la technologie énergétique des laboratoires de Berkeley et co-auteur d'articles.
La prochaine étape consiste à accroître la production de catalyseurs enrobés. Les expériences préliminaires de l'équipe du Berkeley Lab impliquaient de petits systèmes modèles plats, beaucoup plus simples que les structures poreuses de grande surface requises pour les applications commerciales. « Il n’est pas difficile d’appliquer un revêtement sur une surface plane. Mais les méthodes commerciales peuvent impliquer de recouvrir de minuscules billes de cuivre », a déclaré Bell. L'ajout d'une deuxième couche de revêtement devient un défi. Une possibilité consiste à mélanger et déposer les deux revêtements ensemble dans un solvant, en espérant qu'ils se séparent lorsque le solvant s'évapore. Et s'ils ne le font pas ? Bell a conclu : « Nous devons simplement être plus intelligents. » Reportez-vous à Kim C, Bui JC, Luo X et autres. Microenvironnement catalytique personnalisé pour l'électroréduction du CO2 en produits multi-carbones à l'aide d'un revêtement ionomère double couche sur cuivre. Nat Énergie. 2021;6(11):1026-1034. est ce que je:10.1038/s41560-021-00920-8
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Heure de publication : 22 novembre 2021
