Le monde dépend fortement des combustibles fossiles pour alimenter son industrie et ses transports. Ces combustibles fossiles entraînent des émissions excessives de dioxyde de carbone, qui contribuent au réchauffement climatique et à l’acidification des océans. L’électroréduction du dioxyde de carbone en carburants à valeur ajoutée ou en produits chimiques utilisant des énergies renouvelables est un moyen de réduire ces émissions excessives de dioxyde de carbone nocives pour l’environnement. L’idée d’utiliser cette technologie pour produire du méthane a suscité un grand intérêt. Cependant, les chercheurs ont eu un succès limité dans le développement de catalyseurs efficaces pour le méthane.
Une équipe de recherche de l’Université de Soochow a maintenant développé une stratégie simple pour créer des catalyseurs en alliage de cobalt et de cuivre qui offrent une activité de méthane et une sélectivité exceptionnelles dans la réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone. Leurs recherches sont publiées dans Nano-recherche.
Au cours des 10 dernières années, les scientifiques ont fait des progrès notables dans l’avancement de leur compréhension des catalyseurs et dans l’application de ces connaissances à leur fabrication. Mais les catalyseurs développés n’ont pas été satisfaisants pour une utilisation avec le méthane, en termes de sélectivité ou de densité de courant. Malgré les grandes connaissances acquises par les scientifiques, les stratégies qu’ils ont tentées pour créer des catalyseurs pour le méthane sont tout simplement trop coûteuses pour être utiles dans des applications pratiques.
L’équipe de l’Université de Soochow s’est penchée sur les structures organométalliques comme un moyen de surmonter les défis antérieurs dans la construction de catalyseurs pour le méthane. « Les cadres organométalliques ont été perçus comme une catégorie unique de catalyseurs de réaction électrochimique de réduction du dioxyde de carbone car ils offrent une plate-forme réglable pour modifier systématiquement la coordination du site métallique, réguler la couche de Helmholtz et contrôler la liaison des intermédiaires », a déclaré le professeur Yang Peng. , Soochow Institute of Energy and Materials Innovations, College of Energy, Soochow University. La couche de Helmholtz fait référence à la limite ou à l’interface qui apparaît là où un conducteur électronique entre en contact avec un conducteur ionique.
Pourtant, la stabilité des charpentes organométalliques au cours du processus électrolytique reste un problème limitant. Ainsi, les cadres organométalliques sont souvent utilisés comme précurseur structurel pour dériver des ensembles de catalyseurs plus robustes lors de la reconstruction. Dans leurs recherches, l’équipe a tiré parti des centres métalliques homogènement dispersés de la structure organométallique. Ils ont obtenu des alliages de cobalt-cuivre réduits électrochimiquement qui offrent une activité de méthane et une sélectivité exceptionnelles dans la réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone. L’équipe a utilisé la spectroscopie d’adsorption de rayons X in situ et la spectroscopie infrarouge améliorée par surface à réflexion totale atténuée dans le développement de sa stratégie.
L’étude de l’équipe offre non seulement une stratégie utile pour la construction de catalyseurs électrocatalytiques de réduction du dioxyde de carbone par la reconstruction électrochimique des cadres organiques métalliques bimétalliques, mais fournit également des informations importantes sur la direction des voies de réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone sur le cuivre via le dopage atomique des métaux de transition 3d. Ces métaux de transition 3d sont les éléments du tableau périodique allant de 22Ti à 29Cu (titane à cuivre).
En modulant la concentration de dopage au cobalt, l’équipe a obtenu une remarquable efficacité faradique de 60 % par rapport au méthane à une densité de courant de fonctionnement élevée.
« Le message le plus important que nous aimerions transmettre dans ce travail est qu’en dopant atomiquement d’autres métaux de transition 3D dans du cuivre, même en petite quantité, l’énergétique et la voie de réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone peuvent être modulées de manière contrôlée », a déclaré Peng.
Dans une prochaine étape, l’équipe souhaite atteindre une meilleure stabilité. Pour ce faire, ils testeront le système catalytique dans un assemblage d’électrodes à membrane. « Notre objectif ultime est d’atteindre une productivité et une stabilité à l’échelle industrielle de la production de méthane et de réaliser l’utilisation ingénieuse du dioxyde de carbone de manière écologique », a déclaré Peng.
Hao Sun et al, Alliage de Co−Cu à dispersion atomique reconstruit à partir d’une structure métallo-organique pour favoriser la méthanation électrochimique du CO2, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4728-1
Fourni par Tsinghua University Press