Exploration des sulfures métalliques ternaires comme électrocatalyseurs pour les réactions de réduction du dioxyde de carbone

L’une des pistes les plus prometteuses pour réduire activement les niveaux de CO2 dans l’atmosphère est de le recycler en produits chimiques de valeur via des réactions de réduction électrocatalytique du CO2. Avec un électrocatalyseur adapté, cela peut être réalisé dans des conditions douces et à faible coût énergétique.

De nombreux types d’électrocatalyseurs sont activement étudiés, mais la plupart souffrent d’une faible activité électrocatalytique, d’une mauvaise sélectivité ou d’une faible stabilité.

Les sulfures métalliques pourraient bien être la solution potentielle à ce problème. En combinant des caractéristiques ioniques et covalentes, cette famille unique de matériaux offre une bonne activité catalytique et une bonne efficacité énergétique.

Le système ternaire métallique devrait être une meilleure solution puisque, selon des études récentes, les sulfures métalliques simples ne peuvent encore produire que quelques composés simples de carbone dans les réactions de réduction du CO2, manquant ainsi de polyvalence. Cependant, il existe encore très peu de publications qui traitent de la fonctionnalité du sulfure métallique ternaire comme électrocatalyseur de réduction du CO2.

Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Akira Yamaguchi de l’Institut de technologie de Tokyo, au Japon, s’est efforcée d’étudier la tendance du sulfure de métal ternaire qui n’a pas été signalée ailleurs.

Dans leur dernière étude, qui a été publié dans Science et ingénierie des matériaux : R : RapportsIls ont combiné l’analyse de données expérimentales et l’apprentissage automatique pour mieux comprendre ce territoire inexploré de la science des matériaux.

« Les sulfures métalliques ternaires peuvent offrir des effets bimétalliques synergiques qui améliorent les performances de réduction du CO2. Cependant, ces matériaux possèdent des structures électroniques complexes et il est difficile d’utiliser leur énergie d’adsorption pour les composés intermédiaires afin d’analyser les tendances de performance des électrocatalyseurs de différents métaux et alliages », explique Yamaguchi.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé une nouvelle méthodologie de criblage. Contrairement aux méthodes de criblage précédentes, qui impliquent souvent des calculs coûteux en ressources informatiques des énergies d’adsorption des électrocatalyseurs, les chercheurs se sont concentrés sur l’analyse de propriétés de matériaux plus facilement mesurables et calculables, dérivées d’expériences et d’analyses de données.

À l’aide de données expérimentales obtenues à partir de diverses mesures de leurs propres échantillons de sulfure métallique synthétisés, les chercheurs ont calculé un ensemble de propriétés matérielles représentant des paramètres structurels, volumique et de surface.

Ils ont également mesuré l’activité de réduction électrochimique du CO2 des matériaux. De plus, ils ont utilisé quatre algorithmes de régression à haute dimension différents dans les modèles d’apprentissage automatique pour dévoiler les relations possibles entre les propriétés des matériaux et les performances électrocatalytiques.

Les chercheurs ont ainsi mis au point un flux de travail simplifié qui permet d’identifier des paramètres importants pour expliquer l’origine de la forte activité des matériaux électrocatalytiques. L’une des principales conclusions de cette étude est que se concentrer sur la structure cristalline des sulfures métalliques ternaires conduit à de meilleurs résultats que se concentrer uniquement sur leur composition élémentaire.

« Notre approche est moins contraignante que d’autres techniques de criblage et ne nécessite pas d’outils expérimentaux à haut débit. De plus, elle est généralisable et applicable à de nombreux matériaux, ce qui la rend particulièrement avantageuse compte tenu de la disponibilité limitée des données sur l’activité des matériaux pour les réactions de réduction du CO2 », explique Yamaguchi.

L’équipe de recherche espère que ses efforts conduiront à des lignes directrices de conception efficaces pour le développement de catalyseurs de conversion du CO2 utilisant des matériaux omniprésents dans la nature, ainsi qu’à l’application possible de leurs lignes directrices à d’autres domaines de recherche.