Des chercheurs examinent l’impact des halogénures sur la réduction électrochimique du dioxyde de carbone

Les halogénures sont prometteurs pour améliorer les performances des catalyseurs utilisés dans la conversion du dioxyde de carbone. Une équipe de scientifiques a examiné les progrès récents et les défis liés aux halogénures, et a fourni ses perspectives sur les orientations futures de la recherche.

L’équipe a publié ses conclusions dans un article de synthèse dans la revue Énergie de recherche nanométrique le 30 novembre 2022.

Les scientifiques considèrent la réaction électrochimique de réduction du dioxyde de carbone (CO2RR) comme une technologie prometteuse pour aider à atténuer le réchauffement climatique et à stocker l’énergie renouvelable. Pour que cette technologie soit réussie et peu coûteuse, des électrocatalyseurs efficaces sont nécessaires. Malgré le potentiel du CO2RR, son utilisation est actuellement limitée en raison de l’activité et de la sélectivité du catalyseur, de l’efficacité du système et de la compréhension des voies de réaction.

Il existe un fort besoin de développement d’un électrocatalyseur à haute activité et sélectivité afin que la technologie d’électroréduction du CO2 trouve des applications pratiques.

Par conséquent, l’équipe de recherche a entrepris un examen complet du rôle et du mécanisme des ions halogénures dans le processus CO2RR afin de mieux guider la conception future d’électrocatalyseurs efficaces. « L’objectif ultime est de concevoir des catalyseurs plus efficaces et plus actifs pour la conversion du CO2 en produits chimiques et carburants à valeur ajoutée. Il existe de fortes applications dans l’utilisation du carbone », a déclaré Yanwei Lum, chercheur à l’Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux, Agence pour la science, la technologie et la recherche.

Dans leur examen, l’équipe a exploré le rôle des ions halogénures sur la structure et la morphologie des électrocatalyseurs. Ensuite, ils ont examiné la relation entre les ions halogénures et les états de valence des sites actifs à la surface du catalyseur. Ensuite, ils ont résumé les mécanismes de l’halogénure pour améliorer l’efficacité de la conversion du CO2, y compris la façon dont les ions halogénure sont impliqués dans le transfert d’électrons et leur influence sur la voie de réaction. Ils concluent leur étude par une synthèse et des perspectives d’avenir. « Nous souhaitons mettre en lumière et encourager d’autres recherches sur l’incorporation et l’interaction des éléments halogènes avec les catalyseurs de conversion du CO2 », a déclaré Lum.

L’équipe met en évidence trois domaines qui, selon elle, justifient une enquête et une recherche approfondies. Premièrement, l’équipe recommande la conception de systèmes modèles pour identifier les mécanismes clés dans différentes situations. L’équipe a classé les mécanismes par lesquels les halogénures contribuent à la réduction électrochimique du CO2 sous la réorganisation de la nanostructure, la modulation de la structure électronique et la promotion directe.

Cependant, ces facteurs peuvent tous avoir un impact simultané sur le catalyseur, ce qui rend difficile la distinction des principaux en jeu. Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle des ions halogénures dans les réactions de réduction du CO2, l’équipe voit la nécessité de concevoir systématiquement des systèmes modèles bien définis pour étudier les mécanismes clés pour chaque cas.

Leur deuxième recommandation est de développer des outils avancés de caractérisation in-situ pour mieux comprendre le rôle des halogénures. Dans des conditions de réaction, la structure de surface du catalyseur, les sites actifs, l’état de valence et les intermédiaires de réaction peuvent changer dynamiquement. Cependant, ces changements dynamiques se produisent souvent pendant des périodes extrêmement courtes et le rôle des halogénures dans le processus peut ne pas être pleinement reflété par des études ex situ.

L’équipe recommande donc que des caractérisations et des méthodes in situ avancées soient utilisées pour mesurer les changements de surface et de structure du catalyseur. Par exemple, la spectroscopie d’absorption des rayons X in situ pourrait être utilisée pour étudier l’état d’oxydation du catalyseur dans des conditions de réaction. La microscopie électronique à transmission in situ pourrait être utilisée pour observer comment la nanostructure du catalyseur change pendant la réduction du CO2.

Leur troisième recommandation est d’explorer de nouvelles architectures de catalyseurs à base d’halogénures. Jusqu’à présent, la recherche s’est concentrée sur le développement d’électrocatalyseurs à base de métaux modifiés aux halogénures. Au-delà de ces systèmes, il peut y avoir d’autres opportunités pour la conception de nouveaux types d’électrocatalyseurs. Par exemple, le dopage d’halogènes dans des catalyseurs à base de carbone et l’utilisation de composés halogénés organiques comme additifs moléculaires pour améliorer l’activité électrocatalytique pourraient devenir de nouvelles pistes d’exploration très prometteuses.