Examen et évaluation de la récente réduction électrochimique du dioxyde de carbone avec des liquides ioniques

L’augmentation des émissions de CO2 en tant que principal responsable de nombreux problèmes environnementaux pourrait être résolue par la réduction électrochimique du CO2 (CO2R) aux produits chimiques à base de carbone à valeur ajoutée. En raison de leurs avantages uniques, les liquides ioniques (IL) ont été largement étudiés pour promouvoir le CO2R en tant qu’électrolytes et co-catalyseurs.

Parmi les produits potentiels du CO2R, ceux ne contenant qu’un seul atome de carbone, nommés produits C1, comprenant CO, CH3OH, CH4, et le gaz de synthèse, sont plus faciles à réaliser que les autres. Au cours des douze dernières années, de nombreuses études expérimentales et revues connexes ont été signalées pour promouvoir le développement de produits CO2R-C1, et des progrès rapides ont été réalisés ces dernières années.

Cependant, à notre connaissance, aucun travail n’a été mené pour discuter et comparer systématiquement les avantages économiques des différents produits C1 (CO, CH3OH, CH4, H2/CO(1:1) et H2/CO(2:1) ) en se concentrant sur les systèmes d’électrolytes à base d’IL, ainsi qu’en analysant les impacts environnementaux, afin de donner des orientations pour réaliser la commercialisation de la technologie CO2R dans un avenir proche.

Ici, une équipe de scientifiques a résumé et mis à jour les progrès de la recherche sur les produits CO2R-C1 basés sur les électrolytes à base d’IL, et a évalué de manière exhaustive les avantages économiques et l’influence environnementale des technologies de pointe et futures. , respectivement. Leurs travaux ont été publiés dans Chimie Industrielle & Matériaux.

« Avec le développement rapide du CO2R avec un électrolyte à base d’IL en laboratoire, il est nécessaire d’avoir une idée claire de leur valeur commerciale lors de son passage à l’échelle industrielle », a déclaré Xiaoyan Ji, professeur à l’Université de technologie de Luleå. .

« Dans cette revue, nous avons résumé les réalisations expérimentales des produits CO2R-to-C1 utilisant un électrolyte à base d’IL, évalué leurs performances des aspects économiques et environnementaux sur la base de la technologie de pointe et ceux avec des performances améliorées dans le proche futur et identifié leur potentiel de commercialisation. Nous avons également proposé des stratégies pour augmenter les performances et les bénéfices du produit CO2R-to-C1 avec des IL comme électrolyte à l’avenir.

Le CO2R est l’une des méthodes les plus prometteuses pour réaliser la conversion du CO2 en produits chimiques à valeur ajoutée en raison de ses conditions douces, ainsi que de sa contrôlabilité facile et flexible. En outre, sa force motrice peut être intégrée à des sources renouvelables, telles que l’énergie solaire, éolienne et hydroélectrique.

Il existe trois paramètres principaux pour évaluer les performances du CO2R, notamment la densité de courant, l’efficacité faradique (FE) et la tension de la cellule, qui peuvent être améliorées en concevant et en optimisant les électrocatalyseurs et les électrolytes.

Les IL, avec leurs structures et propriétés accordables, leurs larges fenêtres électrochimiques et leurs conductivités électriques élevées, peuvent fournir une faible surtension et une densité de courant élevée, et améliorer la sélectivité du produit pour le CO2R. De manière significative, les IL peuvent inhiber efficacement la réaction de dégagement d’hydrogène (HER), qui est une réaction compétitive du CO2R.

« Le CO est le seul produit rentable parmi les produits C1 étudiés, tandis que les coûts de production totaux (TPC) des autres produits sont trop élevés pour être rentables, en particulier pour le CH4 et le H2/CO (2:1) », a déclaré Ji.

« Ce phénomène est cohérent avec les performances du CO2R pour chaque produit. La densité de courant et le FE du CO sont aussi élevés que 182,2 mA cm-2 et 99,7 %, respectivement. Cependant, pour CH4 et H2/CO(2:1), les densités de courant sont aussi faibles que 25,6 et 11,4 mA cm-2, respectivement. De plus, avec l’amélioration des performances du CO2R, le CH3OH et le H2/CO(1:1) peuvent être rentables dans un avenir proche. Bien qu’il soit difficile pour le CH4 et H2/CO(2:1) pour être rentable même dans le scénario le plus idéal, en partie en raison du faible prix du marché. D’autre part, la formation de CH4 nécessite le transfert du plus grand nombre d’électrons (8e–) parmi les produits C1 étudiés. »

« Le CO2R en CH4 est la voie la plus respectueuse de l’environnement par rapport aux autres », a ajouté Xiangping Zhang, professeur à l’Institut d’ingénierie des procédés de l’Académie chinoise des sciences. « Bien que, compte tenu à la fois des aspects économiques et environnementaux, le CO soit le produit le plus attractif. Pour les autres produits C1, une amélioration supplémentaire du CO2R ou le développement d’électrolyseurs plus avancés sont nécessaires pour réaliser leur valeur commerciale », a déclaré Zhang.

En outre, les IL devraient être davantage exploités dans le futur CO2R comme suit : (1) la caractéristique ajustable des IL dans la structure et les propriétés offre des avantages et des possibilités uniques pour concevoir des électrolytes de CO2R plus efficaces et plus adaptés ; (2) la capacité des IL à dissoudre une variété de solvants et d’électrolytes peut intégrer d’autres solvants et électrolytes, améliorant encore les performances du CO2R ; (3) les IL plus propres peuvent être conçus et synthétisés en s’appliquant au CO2R pour atténuer la charge environnementale ; (4) sauf en tant qu’électrolytes, les IL peuvent également être le co-catalyseur ou le modificateur du catalyseur présentant des performances supérieures.

« Dans cette revue, notre objectif principal est de fournir aux lecteurs un aperçu intuitif du potentiel commercial des produits CO2R-to-C1 avec des IL comme électrolyte sur la base de l’état de l’art et des scénarios futurs des aspects économiques et environnementaux. « , a déclaré Ji.