En tant qu’élément crucial de la technologie de capture, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS), la réaction de réduction du CO2 (CO2RR) aux carburants et produits chimiques à base de carbone présente de larges perspectives d’application dans le stockage des énergies renouvelables et les émissions négatives de CO2.
Récemment, une équipe dirigée par le professeur Song Li et le chercheur associé He Qun du Laboratoire national de rayonnement synchrotron de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a proposé une nouvelle compréhension du mécanisme de CO2RR sur les sites monoatomiques de nickel (Ni). Leur étude, intitulée « Asymmetric Dinitrogen-Coordinated Nickel Single-Atomic Sites for Efficient CO2 Electroreduction », a été publiée dans Communication Nature.
Un catalyseur CO2RR idéal nécessite une faible surtension et une densité de courant élevée vers les produits. Cependant, les anciens catalyseurs sont caractérisés par un coût élevé et une faible densité de courant, tels que l’or (Au) et l’argent (Ag), présentent généralement des surpotentiels beaucoup plus élevés que Au et Ag, tels que Fe, Co ou Ni, limitant l’efficacité de la réaction.
Par conséquent, il est impératif de développer des catalyseurs abondants à base de métaux 3D à faible surpotentiel, à haute densité de courant pour remplacer les catalyseurs à base de métaux précieux pour le CO2RR. Pour relever ces défis, les chercheurs ont proposé un catalyseur à un seul atome de nickel à coordination diazote asymétrique (Ni-NC). En utilisant les caractéristiques insaturées et asymétriques des sites, une auto-optimisation structurelle au cours du processus électrochimique est obtenue, améliorant ainsi l’activité intrinsèque des sites dans le CO2RR.
Dans l’étude, l’équipe a conçu et synthétisé Ni-NC avec une coordination diazote (azote pyridinique et pyrrolique) et l’a ensuite utilisé pour des réactions d’électroréduction du CO2 dans des milieux neutres et alcalins. Les spectres d’absorption et d’émission des rayons X du rayonnement synchrotron ont révélé la structure de coordination locale des sites Ni dans le catalyseur. Les résultats des tests électrochimiques ont montré que le catalyseur Ni-NC pouvait atteindre des performances électrochimiques très élevées dans les électrolytes neutres (cellule de type H) et alcalins (électrode à diffusion de gaz, GDE).
Surtout dans des conditions alcalines, le catalyseur pourrait atteindre une densité de courant partiel de CO de 20,1 mA cmgeo-2 à -0,15 V par rapport à l’électrode à hydrogène réversible (VRHE), efficacité Faraday de plus de 90 % pour le CO dans la plage de potentiel de -0,15 à – 0,9 VRHE et une fréquence de rotation élevée (TOF) de plus de 274 000 site-1 h-1 à -1,0 VRHE, dépassant la plupart des catalyseurs signalés.
Cette étude offre une nouvelle compréhension du rôle du catalyseur dans la réaction d’électroréduction du CO2 et promet d’apporter un nouvel éclairage sur les futures technologies de réduction du CO2.
Plus d’information:
Yuzhu Zhou et al, Sites monoatomiques de nickel à coordination diazote asymétrique pour une électroréduction efficace du CO2, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39505-2
Fourni par l’Université des sciences et technologies de Chine