La conversion électrochimique du CO2, un gaz à effet de serre, couplée à des sources d’électricité renouvelables, comme l’énergie solaire et éolienne, promet une production verte de produits chimiques et de carburants pour le transport, très demandés. Les produits dérivés du dioxyde de carbone, comme l’éthylène, l’éthanol et l’acide acétique, sont particulièrement utiles comme matières premières pour l’industrie chimique et pour l’alimentation des véhicules.
Bien que des conceptions d’électrolyseurs efficaces et évolutifs (qui utilisent l’électricité pour provoquer des transformations chimiques) avec des densités de courant pertinentes sur le plan industriel aient été développées, les efforts de commercialisation ont été entravés par la stabilité et la sélectivité des catalyseurs.
Pour relever ce défi, le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et ses collaborateurs ont développé une plateforme de revêtement catalytique qui utilise le dépôt physique en phase vapeur (PVD), qui offre un contrôle précis de l’épaisseur, de la composition, de la morphologie et de la porosité.
À ce jour, seuls le cuivre et ses alliages ont démontré leur efficacité à convertir le CO2 en produits multicarbonés, tels que l’éthylène, l’éthanol, l’acétate et le propanol. Le défi du développement des catalyseurs consiste à dissocier les performances des catalyseurs des effets liés à l’intégration des catalyseurs.
Cela est particulièrement vrai lorsque l’on compare des catalyseurs qui ont été fabriqués et intégrés avec différentes méthodes et qui sont testés dans différentes configurations d’électrolyseur, ou préparés à partir d’encres ayant des compositions variables.
« Nous avons mis au point une nouvelle plateforme de catalyseur évolutive et réglable qui permet d’ajuster la composition du catalyseur sans modifier la morphologie du catalyseur ou l’intégration du catalyseur dans l’électrolyseur », a déclaré Juergen Biener, scientifique des matériaux du LLNL, auteur principal d’un article. publié dans le journal PetitLes autres chercheurs du LLNL sont Zhen Li, Stephen Weitzner, Sneha Akhade et Xie Liu.
L’équipe, qui comprend également des chercheurs de l’Université du Delaware, de l’Université de Washington et de l’Université de Pennsylvanie ainsi que le partenaire industriel Twelve Benefits Corporation, a utilisé sa plateforme PVD pour explorer systématiquement les performances des catalyseurs en alliage dilué à base de cuivre qui sont difficiles à synthétiser et à intégrer autrement.
Guidée par la théorie, l’équipe a développé plusieurs catalyseurs en alliage dilué à base de cuivre qui favorisent le couplage du monoxyde de carbone intermédiaire vers les produits multicarbonés souhaités.
« Les résultats démontrent la puissance de l’utilisation d’alliages dilués pour ajuster systématiquement le paysage énergétique de l’électrolyse du CO2 afin d’augmenter l’efficacité de la création de matières premières plus propres pour les industries chimiques et des transports », a déclaré Joel Varley, scientifique du LLNL, qui a dirigé les efforts de simulation de ce travail.
En plus de permettre un contrôle précis de l’uniformité, de l’épaisseur et de la composition du revêtement, les méthodes PVD produisent moins de déchets et nécessitent moins de main-d’œuvre que les méthodes d’électrodéposition traditionnelles, ce qui les rend plus rentables malgré des coûts d’investissement plus élevés. Ce développement pourrait conduire à des améliorations dans les industries chimiques et des transports.
Plus d’information:
Bradie S. Crandall et al, Alliages dilués à base de cuivre pour ajuster la sélectivité C2+ de la réduction électrochimique du CO2, Petit (2024). DOI: 10.1002/smll.202401656