La synthèse de produits chimiques à base de carbone via la réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2) est devenue l’objectif clé de nombreux efforts récents de recherche énergétique. Bien que ces études aient donné des résultats prometteurs, permettant la production de divers produits chimiques largement utilisés, la plupart des approches proposées présentent une efficacité énergétique et une sélectivité médiocres.
Les méthodes proposées pour la réduction électrochimique du CO2 en éthylène, un hydrocarbure, par exemple, n’ont jusqu’à présent pas atteint l’efficacité énergétique et la stabilité souhaitables. Cela a empêché leur déploiement généralisé comme alternatives aux approches pétrochimiques conventionnelles pour produire de l’éthylène, qui ont des effets néfastes sur l’environnement.
Des chercheurs de l’Université Montpellier et d’autres instituts ont récemment entrepris de faciliter la synthèse sélective et économe en énergie de l’éthylène via la réduction du CO2 en fonctionnalisant des catalyseurs qui déclenchent des réactions de réduction. Leur papier, publié dans Énergie naturelleprésente une stratégie pour fonctionnaliser les catalyseurs au cuivre (Cu) pour la réduction du CO2 à l’aide de sels d’aryle diazonium, substances incolores actuellement utilisées pour synthétiser divers composés organiques.
« Bien que des progrès aient été réalisés dans la production de produits multi-carbones issus de la réduction électrochimique du CO2, la modeste sélectivité pour l’éthylène (C2H4) conduit à une faible efficacité énergétique et à des coûts de séparation élevés en aval », ont écrit Huali Wu, Lingqi Huang et leurs collègues dans leur étude. papier. « Nous fonctionnalisons les catalyseurs de Cu avec une variété de sels d’aryle diazonium substitués pour améliorer la sélectivité vers les produits multi-carbones. »
Dans leurs calculs et expériences, Wu, Huang et leurs collaborateurs ont découvert que différents sels d’aryle diazonium pouvaient aider à adapter l’état d’oxydation du Cu. Grâce à ces sels, ils ont ainsi pu fonctionnaliser des catalyseurs dans une cellule à assemblage membrane-électrode (MEA), le principal composant des piles à combustible qui facilite les réactions électrochimiques souhaitées, y compris les réactions qui sous-tendent la réduction du CO2.
Les chercheurs ont testé les performances de cette Flow Cell MEA avec des sites Cu adaptés dans une série d’expériences. Ils ont découvert que leur stratégie de fonctionnalisation améliorait l’efficacité énergétique et la stabilité de la réduction du CO2 pour produire de l’éthylène.
« En utilisant le calcul et la spectroscopie operando, nous constatons que l’état d’oxydation de la surface du Cu (δ+ où 0 <� δ <� 1) peut être ajusté par fonctionnalisation et qu'il influence la sélectivité en C2H4", ont écrit les chercheurs.
« Nous rapportons une efficacité faradique et une densité de courant spécifique pour C2H4 aussi grandes que 83 ± 2 % et 212 mA cm−2, respectivement, sur Cu0,26+ partiellement oxydé. En utilisant une alimentation en gaz CO, nous démontrons une efficacité énergétique de ~ 40 % avec un rendement faradique C2H4 de 86 ± 2 %, correspondant à une faible consommation électrique de 25,6 kWh Nm−3 pour la réaction de conversion du CO en C2H4. »
L’étude récente de cette équipe de chercheurs introduit une nouvelle stratégie prometteuse pour permettre l’électrosynthèse stable et économe en énergie de l’éthylène à partir du CO2, en tirant parti de l’ingénierie de valence du cuivre. Cette stratégie pourrait bientôt être affinée et validée davantage, contribuant potentiellement à la future transition vers des méthodes plus durables de production d’éthylène à grande échelle.
Plus d’information:
Huali Wu et al, Électrosynthèse sélective et économe en énergie de l’éthylène à partir du CO2 en réglant la valence des catalyseurs Cu via la fonctionnalisation de l’aryle diazonium, Énergie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41560-024-01461-6.
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