La technologie qui convertit le dioxyde de carbone (CO₂) en carburants et en matières premières plastiques à l’aide de l’électricité suscite un intérêt croissant en tant que technologie clé à l’ère de la neutralité carbone. En particulier, l’éthylène et l’éthanol sont des matériaux à haute valeur ajoutée largement utilisés dans la production de plastiques, de carburants et de produits chimiques, mais jusqu’à présent, le seul métal qui les a produits efficacement a été essentiellement le cuivre (Cu). Grâce à cette étude, des chercheurs coréens ont révélé les limites des théories existantes sur les catalyseurs qui expliquaient ce principe.
Le KAIST a annoncé le 21 mai qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Jihun Oh du Department of Materials Science and Engineering, en collaboration avec l’équipe du professeur Stefan Ringe du Department of Chemistry de la Korea University (président Dongwon Kim), a identifié un nouveau principe de fonctionnement de la réaction électrochimique de réduction du CO₂ (réaction de réduction du CO₂, une réaction qui utilise l’électricité pour convertir le dioxyde de carbone en d’autres substances chimiques).
L’équipe de recherche a fabriqué des catalyseurs en alliage composés d’or (Au), d’argent (Ag) et de palladium (Pd), et a analysé en quelles substances ces catalyseurs convertissent le CO₂.
Les théories existantes sur les catalyseurs prédisaient que si le « centre de la bande d » (un indicateur de la réactivité électronique d’un catalyseur) et la « fonction de travail » (l’énergie nécessaire pour qu’un métal libère des électrons vers l’extérieur), qui indiquent la réactivité des électrons à la surface du catalyseur, sont similaires à ceux du cuivre, alors le catalyseur devrait être capable de produire des composés à plusieurs carbones (C2+) comme l’éthylène et l’éthanol, à l’instar du cuivre.
En utilisant un procédé de co-pulvérisation (une technique qui dépose simultanément plusieurs métaux sous forme de films minces pour créer un nouvel alliage avec un rapport souhaité), l’équipe de recherche a fabriqué avec précision un alliage ternaire (AuAgPd, un alliage composé de trois métaux : or, argent et palladium) dont les propriétés électroniques étaient très similaires à celles du cuivre.
Cependant, les résultats expérimentaux réels étaient différents. Cet alliage a produit des produits simples comme le monoxyde de carbone (CO), mais il n’a pas du tout produit de composés complexes à plusieurs carbones comme l’éthylène ou l’éthanol. Cela signifie que les réactions complexes de conversion du CO₂ sont difficiles à expliquer en utilisant uniquement les propriétés électroniques des catalyseurs. En d’autres termes, l’étude a confirmé que la disposition des atomes à la surface du catalyseur a également un effet important sur les performances de la réaction.
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L’équipe de recherche espère que cette étude fournira des indices importants pour le développement de catalyseurs de nouvelle génération à haut rendement capables de remplacer le cuivre à l’avenir. En particulier, l’étude est significative car elle présente une nouvelle direction montrant la nécessité de stratégies de conception de catalyseurs précises qui vont au-delà des conceptions existantes centrées uniquement sur la structure électronique simple et qui prennent également en compte la disposition atomique.
Le professeur Jihun Oh a déclaré : « Cette étude montre que les théories existantes sur les catalyseurs seules sont insuffisantes pour expliquer pleinement les réactions complexes de conversion du carbone en plusieurs étapes », ajoutant : « À l’avenir, une nouvelle stratégie de conception de catalyseurs qui prend en compte à la fois les propriétés électroniques et la disposition atomique locale, c’est-à-dire la façon dont les atomes sont disposés à la surface du catalyseur, sera nécessaire. »
Article : Peaks and pitfalls of electrocatalytic CO₂ reduction descriptor models – Journal : Nature Catalysis – Méthode : Meta-analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : KAIST
