Pour gérer le dioxyde de carbone atmosphérique et convertir le gaz en un produit utile, les scientifiques de Cornell ont dépoussiéré une équation électrochimique archaïque, qui a maintenant 120 ans. Le groupe vise à contrecarrer les conséquences du réchauffement climatique et du changement climatique en appliquant cette idée oubliée depuis longtemps d’une nouvelle manière.
Le calcul – nommé l’équation de Cottrell pour le chimiste Frederick Gardner Cottrell, qui l’a développé en 1903 – peut aider les chercheurs d’aujourd’hui à comprendre les différentes réactions que le dioxyde de carbone peut prendre lorsque l’électrochimie est appliquée et pulsée sur une paillasse de laboratoire.
Leurs travaux ont été publiés le 27 mars dans la revue Catalyse ACS.
« Pour le dioxyde de carbone, mieux nous comprenons les voies de réaction, mieux nous pouvons contrôler la réaction, ce que nous voulons à long terme », a déclaré l’auteur principal Rileigh Casebolt DiDomenico, doctorant à la Smith School of Chemical and Biochemical. Ingénierie, à Cornell Engineering sous la direction du professeur Tobias Hanrath.
La réduction électrochimique du dioxyde de carbone présente une opportunité de transformer le gaz d’un passif environnemental en une matière première pour les produits chimiques ou en un moyen de stocker de l’électricité renouvelable sous forme de liaisons chimiques, comme le fait la nature.
« Si nous avons un meilleur contrôle sur la réaction, alors nous pouvons faire ce que nous voulons, quand nous voulons le faire », a déclaré DiDomenico. « L’équation de Cottrell est l’outil qui nous aide à y arriver. »
En termes simples, l’équation représente un changement dans le courant électrochimique mesuré sur des références spécifiques au temps au cours d’une expérience. Cela signifie que dans un laboratoire, le dioxyde de carbone est soumis à divers potentiels appliqués augmentés ou diminués, ou pulsés, et ceux-ci, à leur tour, génèrent un courant lié aux produits formés à partir de la réduction du dioxyde de carbone.
DiDomenico a rencontré cette équation antique pour la première fois en tant que doctorant dans une classe enseignée par Héctor Abruña, professeur Emile M. Chamot de chimie et de biologie chimique, au Collège des arts et des sciences, auteur principal de l’article.
Intriguée après qu’Abruña l’ait mentionné en classe, DiDomenico a mis en œuvre l’équation de Cottrell dans son propre travail sur la réduction du dioxyde de carbone. Elle a changé les valeurs électrochimiques (comme le potentiel appliqué) ou l’échelle de temps, pour générer d’autres produits dérivés du gaz.
Par exemple, l’équation permet à un chercheur d’identifier et de contrôler les paramètres expérimentaux pour prendre le dioxyde de carbone et le convertir en produits carbonés utiles comme l’éthylène, l’éthane ou l’éthanol.
Au début, DiDomenico a pensé qu’elle avait obtenu des résultats étranges, mais a confirmé plus tard qu’elle avait mené les expériences correctement.
« J’essayais de modifier le profil d’impulsion pour fabriquer de l’éthylène spécifiquement en appliquant ce que j’apprenais en classe pour voir si cela correspondait », a déclaré DiDomenico. « J’ai réalisé que c’était en fait un moyen d’identifier un mécanisme pour réduire le dioxyde de carbone en un produit utile. »
De nombreux chercheurs utilisent aujourd’hui des méthodes de calcul avancées pour fournir une image atomistique détaillée des processus à la surface du catalyseur, mais ces méthodes impliquent souvent plusieurs hypothèses nuancées, ce qui complique la comparaison directe avec les expériences, a déclaré l’auteur principal Tobias Hanrath, professeur Marjorie L. Hart ’50. en ingénierie, à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.
« La magnificence de cette vieille équation est qu’il y a très peu d’hypothèses », a déclaré Hanrath. « Si vous mettez des données expérimentales, vous obtenez un meilleur sens de la vérité. C’est un vieux classique. C’est la partie que j’ai trouvée belle. »
Abruña aimait voir l’équation employée. « Cette équation décrit ce qui se passe lorsqu’on impose un pas de potentiel, donc on passe d’une tension à une autre, puis on regarde le transitoire de courant qui en résulte », a-t-il déclaré. « En analysant les résultats, vous pouvez obtenir des informations et des détails mécanistes intéressants et importants. C’est juste qu’à moins que vous ne soyez un nerd électrochimique comme moi, vous ne savez probablement pas grand-chose à ce sujet.
« Les gens qui travaillent dans le domaine de la réduction du dioxyde de carbone s’intéressent beaucoup plus à la distribution de produits, ou aux aspects techniques de cela », a déclaré Abruña. « Ici, nous utilisons un modèle très simple qui a étonnamment bien fonctionné. C’est presque embarrassant. »
DiDomenico a déclaré: « Parce qu’elle est plus ancienne, l’équation de Cottrell a été une technique oubliée. C’est de l’électrochimie classique. Le simple fait de la ramener au premier plan de l’esprit des gens a été cool. Et je pense que cette équation aidera d’autres électrochimistes à étudier leurs propres systèmes . »
Plus d’information:
Rileigh Casebolt DiDomenico et al, Aperçus mécanistes de la formation de produits CO et C2 dans la réduction électrochimique du CO2 ─ Le rôle du transfert de charge séquentiel et des réactions chimiques, Catalyse ACS (2023). DOI : 10.1021/acscatal.2c06043