La meilleure façon d’éviter les pires effets du changement climatique est de réduire les émissions de CO2 dans le monde. Et une façon d’y parvenir, explique Zhongwei Chen, professeur au Département de génie chimique de l’Université de Waterloo, consiste à capturer le CO2 et à le convertir en d’autres produits chimiques utiles, comme le méthanol et le méthane pour les carburants.
Arrêter les émissions à la source et réduire davantage les émissions futures en remplaçant les carburants produisant du CO2 par des carburants plus propres « … est un moyen de boucler la boucle », a déclaré Chen.
Afin de transformer le CO2 en méthanol, vous avez besoin d’un catalyseur pour démarrer la réaction électrochimique. Traditionnellement, ces catalyseurs étaient soit fabriqués à partir de métaux précieux comme l’or ou le palladium, soit de métaux de base comme le cuivre ou l’étain. Cependant, ils sont coûteux et se décomposent facilement, ce qui entrave une mise en œuvre à grande échelle.
« Pour l’instant, nous ne pouvons pas répondre aux exigences industrielles », déclare Chen. « Nous essayons donc de concevoir des catalyseurs avec une meilleure activité, sélectivité et durabilité. »
Chen et son équipe se concentrent sur les catalyseurs métalliques et sans métal à faible coût. Les catalyseurs sans métal, fabriqués à partir de carbone, sont moins chers et plus durables, mais ont tendance à avoir une activité catalytique inférieure à celle des catalyseurs métalliques. L’équipe a donc peaufiné la composition chimique et la conception physique du catalyseur pour optimiser son efficacité, en combinant la science des matériaux de la conception du catalyseur avec l’ingénierie de l’électrode et du réacteur pour améliorer l’activité de l’ensemble du système.
« Nous voulons le rendre aussi petit que possible, mais pas trop petit pour être une application pratique », explique Chen. Ils ont combiné des sites actifs à l’échelle nanométrique dans une particule à l’échelle micrométrique – comme des bulles dans une minuscule éponge – pour créer un catalyseur avec un grand nombre de sites actifs dans une particule facile et pratique à fabriquer.
Les puissants faisceaux lumineux et les équipes techniques d’experts du Canadian Light Source (CLS) de l’Université de la Saskatchewan ont joué un rôle déterminant dans la conception d’un catalyseur efficace, explique Chen. « Les installations avancées de CLS sont essentielles pour nous aider à comprendre ce qui s’est passé pendant la réaction, afin que nous puissions continuer à concevoir et à améliorer la prochaine génération de catalyseurs. »
L’article est publié dans la revue Catalyse ACS.
Plus d’information:
Zhen Zhang et al, Steering Carbon Hybridization State in Carbon-Based Metal-free Catalysts for Selective and Durable CO2 Electroreduction, Catalyse ACS (2022). DOI : 10.1021/acscatal.2c03055