Alors que l’industrie s’est développée au cours du siècle dernier, les émissions excessives de dioxyde de carbone ont entraîné des problèmes climatiques et des effets de serre. Les scientifiques cherchent constamment des solutions aux problèmes des gaz à effet de serre, qui réchauffent la surface de la terre et les parties inférieures de l’atmosphère. Le dioxyde de carbone est le plus répandu des gaz à effet de serre.
Le dioxyde de carbone peut être réduit électrochimiquement en produits chimiques précieux à l’aide d’énergies électriques dérivées du vent ou de la lumière du soleil. Cette électroréduction du dioxyde de carbone présente aux scientifiques une stratégie prometteuse pour gérer le bilan carbone à l’échelle mondiale. La réduction électrochimique du dioxyde de carbone offre le potentiel futur de convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles et plus respectueux de l’environnement, tels que le monoxyde de carbone, le méthane ou l’éthanol. Pour réaliser l’électroréduction du dioxyde de carbone, les scientifiques ont besoin d’électrocatalyseurs efficaces. Les électrocatalyseurs sont les catalyseurs utilisés dans les réactions électrochimiques. Ils peuvent augmenter la vitesse de la réaction qui se produit. Une équipe de recherche de l’Université de Nanjing a construit des catalyseurs en utilisant une méthode de dopage au fluor qui améliore leurs performances.
L’équipe de recherche a rendu compte de ses conclusions dans Nano-recherche.
Les scientifiques savent que les catalyseurs à site unique métal-azote-carbone à faible coût fonctionnent bien pour l’électroréduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. Parmi ceux-ci, les catalyseurs à site unique au carbone dopé au nickel-azote possèdent la haute efficacité faradique du monoxyde de carbone et un courant partiel important. L’efficacité faradique décrit l’efficacité avec laquelle la charge est transférée dans une réaction électrochimique.
L’équipe de recherche a déjà augmenté l’efficacité faradique et le grand courant partiel des catalyseurs à site unique au carbone dopé au nickel-azote en les dopant. Par rapport aux catalyseurs monosite carbone dopé nickel-azote, les catalyseurs monosite fer-azote-carbone ont des surpotentiels plus faibles pour l’électroréduction du dioxyde de carbone. La surtension décrit l’efficacité de la tension d’une cellule. Des recherches antérieures ont utilisé la spectroscopie de structure fine d’absorption des rayons X pour vérifier que les sites actifs des catalyseurs à site unique fer-azote-carbone sont des sites Fe3+. Ces sites Fe3+ permettent au catalyseur d’être plus efficace dans l’adsorption du dioxyde de carbone et la désorption du monoxyde de carbone.
L’équipe a construit un catalyseur à site unique fer-azote-carbone dopé au fluor qui possède plus de sites Fe3+, comme prévu. Le catalyseur à site unique fer-azote-carbone dopé au fluor qu’ils ont construit a conservé l’avantage d’une faible surtension. Il a également promu l’efficacité faradique du monoxyde de carbone d’une valeur élevée semblable à celle d’un volcan à une valeur de plateau élevé. « Les résultats indiquent la stabilité supérieure du fer-azote-carbone dopé au fluor par rapport au fer-azote-carbone en raison du dopage au fluor », a déclaré Lijun Yang, professeur agrégé à l’École de chimie et de génie chimique de l’Université de Nanjing.
L’équipe de recherche conclut que le dopage au fluor attracteur d’électrons permet au catalyseur à site unique fer-azote-carbone de conserver l’avantage d’une faible surtension, avec une efficacité faradique du monoxyde de carbone et une densité de courant partielle beaucoup plus élevées en raison des sites Fe3+ stabilisés.
L’équipe a synthétisé le fer-azote-carbone en utilisant une méthode thermique appelée pyrolyse par adsorption. Ils ont réalisé les expériences d’électroréduction du dioxyde de carbone dans une cellule de type H et une cellule d’électrode à diffusion gazeuse. Ils ont utilisé des calculs théoriques pour mieux comprendre les améliorations qui se sont produites avec le dopage au fluor.
« Les tests électrochimiques montrent que les défauts enrichis par le dopage au fluor augmentent cinétiquement la surface électroactive et améliorent le transfert de charge », a déclaré Yang. Dans la perspective d’une étude plus approfondie, les découvertes de l’équipe de recherche leur fournissent une stratégie simple et contrôlable pour améliorer les performances d’électroréduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone des catalyseurs fer-azote-carbone en stabilisant les sites Fe3+.
Yiqun Chen et al, Stimulation de l’efficacité faradique de l’électroréduction du CO2 en CO pour les catalyseurs à site unique Fe−N−C en stabilisant les sites Fe3+ via le dopage F, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4441-0
Fourni par Tsinghua University Press