La réduction électrochimique du CO2 en carburants à valeur ajoutée et en matières premières chimiques offre une voie durable pour stocker l’électricité renouvelable et atténuer les émissions de carbone. Actuellement, Cu est le matériau le plus prometteur capable de catalyser le couplage CC pour produire des produits multicarbonés plus précieux.
Cependant, un Cu plat volumineux favorise généralement la production de H2 et de CH4, conduisant à une sélectivité C2+ insatisfaisante. Pour surmonter ce défi, de nombreuses stratégies ont été exploitées pour améliorer les performances catalytiques du Cu, notamment la manipulation de la morphologie, la modification de surface, la reconstruction structurelle, etc.
Parmi ces stratégies, la reconstruction structurelle présente un intérêt particulier car elle devrait introduire des défauts structurels, qui contiennent de riches sites sous-coordonnés et sont donc susceptibles de catalyser efficacement le CO2RR. Cependant, la conception de catalyseurs avancés pour obtenir des défauts à haute densité via la reconstruction et finalement guider la voie de réaction reste un défi.
Récemment, un groupe de recherche dirigé par le professeur Min-Rui Gao (Laboratoire national Hefei pour les sciences physiques à l’échelle microscopique, Université des sciences et technologies de Chine) a mis en évidence le grand potentiel des matériaux pérovskites pour la production efficace de composés multicarbonés précieux à partir de CO2RR via structurel reconstruction. L’équipe a utilisé l’oxyde de pérovskite La2CuO4 comme pré-catalyseur et a étudié son évolution structurelle dans des conditions de CO2RR.
Par de multiples analyses techniques, ils ont découvert que le CO2 peut favoriser considérablement l’exsolution des sites La dans La2CuO4 en formant un complexe avec les oxydes de La, conduisant à l’effondrement de la structure pérovskite avec réduction et réorganisation concomitantes des sites Cu. Le catalyseur Cu polycristallin résultant (POD-Cu) était composé de plusieurs nanocristallites interconnectées par des joints de grains abondants (GB).
Les chercheurs ont observé que ces GB peuvent piéger et stabiliser cinétiquement les dislocations et les déformations du réseau dans les matériaux polycristallins, offrant ainsi un moyen de créer des surfaces à haute énergie avec de nombreux sites sous-coordonnés.
En utilisant ce catalyseur POD-Cu riche en GB, les chercheurs ont atteint une efficacité faradique d’environ 80,3 % vis-à-vis des produits C2+ avec des densités de courant partielles supérieures à 400 mA cm-2 dans un environnement neutre dans un électrolyseur à cellule d’écoulement, surpassant le Cu classique dérivé de CuO. (OD-Cu) homologues.
En combinant les investigations structurales et spectroscopiques, l’équipe a attribué l’excellente activité catalytique du POD-Cu à de nombreux sites défectueux et sous-coordonnés, qui sont piégés et stabilisés par les GB à haute densité créés à partir de la reconstruction structurelle.
Les chercheurs ont suggéré que ces sites pouvaient lier plus fortement les intermédiaires clés de COad, ce qui non seulement favorisait la possibilité de dimérisation des espèces voisines de COad, mais supprimait également largement l’évolution de H2 en limitant l’accès des intermédiaires Had aux sites actifs.
Cette étude présente la promesse des matériaux pérovskites pour la production efficace de composés multicarbonés précieux via l’électrochimie CO2RR. Les chercheurs prévoient que ces résultats pourraient trouver une utilisation immédiate dans la conception de catalyseurs CO2RR de nouvelle génération basés sur des matériaux pérovskites flexibles et efficaces, ce qui devrait faciliter la production à grande échelle de précieux composés multicarbonés par électrolyse au CO2.
La recherche est publiée dans la revue Open scientifique national.
Plus d’information:
Zhuang-Zhuang Niu et al, formation assistée par CO2 de joints de grains pour un couplage CO-CO efficace sur un catalyseur Cu dérivé, Open scientifique national (2022). DOI : 10.1360/nso/20220044