Le TiO2, matériau miracle pour la réduction du CO2 ?

La conversion du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique, un gaz à effet de serre, en ressources utiles telles que le monoxyde de carbone, l’acide formique et le méthanol ainsi que leurs sous-produits, est considérée comme une voie prometteuse pour atténuer le réchauffement climatique tout en générant une valeur économique.

Une approche de la conversion du CO2 consiste en une réduction électrocatalytique. Ce procédé utilise des catalyseurs conventionnels, tels que le plomb, l’argent, l’étain, le cuivre, l’or, etc. supportés sur du carbone conducteur comme matériau d’électrode pour une réduction sélective du CO2. Cependant, l’électrode est souvent exposée à un environnement de pH élevé de l’électrolyte pendant l’électrocatalyse, ce qui peut dégrader le support du catalyseur et constitue une préoccupation majeure.

Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs japonais a récemment développé un support de catalyseur à base de dioxyde de titane (TiO2) en poudre, un composé couramment utilisé dans l’industrie (écrans solaires, peintures, revêtements, plastiques, papier, produits pharmaceutiques) comme alternative au carbone.

Traitement de surface du TiO2

Les chercheurs ont d’abord effectué un traitement de surface en utilisant du plasma inoffensif et peu coûteux dans un liquide pour améliorer les propriétés électrochimiques du TiO2.

« Le TiO2 traité par plasma dans un liquide a conservé la forme des particules et la structure cristalline. De plus, l’analyse élémentaire et l’évaluation de l’état de liaison interfaciale et des propriétés électrochimiques du TiO2 ont révélé que les pics redox correspondant à Ti4+ et Ti3+ dérivés du TiO2 ont disparu et que la surtension d’hydrogène a diminué« , souligne le professeur Terashima.

Ces observations ont amené l’équipe à conclure qu’un revêtement ou un dopage au tungstène s’était produit sur certaines parties de la surface réduite du TiO2.

Développement d’une électrode à diffusion gazeuse

Les chercheurs ont ensuite utilisé le TiO2 comme support et l’ont chargé avec des nanoparticules d’argent (AgNP), qui agissent comme catalyseurs, pour développer une électrode à diffusion gazeuse pour la réduction du CO2. Alors que le TiO2 non traité présentait une sélectivité élevée pour le CO2 et le noir de carbone, le TiO2 traité par plasma dans un liquide avec une charge de 40 % en poids d’AgNP a démontré une production accrue d’hydrogène et des performances catalytiques améliorées.

Étant donné qu’un rapport hydrogène/monoxyde de carbone approprié est important pour une réduction efficace du CO2, la technologie présentée a donc un potentiel énorme pour convertir le CO2 en sous-produits utiles, tels que le syngaz, qui est considéré comme un carburant propre ayant une très grande valeur industrielle.

Intégration aux énergies renouvelables

De plus, la réduction électrocatalytique du CO2 peut être intégrée à des sources d’énergie renouvelables, telles que les panneaux solaires ou l’énergie éolienne, pour une conversion durable et écologique du CO2. Par conséquent, ce travail est une étape significative vers une réduction efficace des émissions de gaz à effet de serre et la lutte contre le changement climatique.

« Nous espérons que la présente étude favorisera la recherche sur les technologies de neutralité carbone et de recyclage du carbone, conformément aux objectifs de développement durable des Nations unies 7, 12 et 13 sur l’énergie propre et abordable, la consommation et la production responsables, et l’action climatique, respectivement. Ceux-ci, à leur tour, ouvriront la voie à la réalisation d’un avenir neutre en carbone et durable« , conclut le professeur Terashima.

En synthèse

Cette recherche montre le potentiel d’utiliser le dioxyde de titane traité au plasma comme support de catalyseur pour la réduction électrocatalytique du CO2. Le traitement au plasma améliore les propriétés électrochimiques du TiO2 sans altérer sa structure. Chargé avec des nanoparticules d’argent, il permet une production accrue d’hydrogène et une meilleure performance catalytique. Couplée aux énergies renouvelables, cette technologie pourrait convertir le CO2 en carburants propres et contribuer à la lutte contre le changement climatique.

Pour une meilleure compréhension

Pourquoi convertir le CO2 ?

Convertir le CO2 atmosphérique en ressources utiles permet de réduire les émissions de ce gaz à effet de serre et de générer une valeur économique.

En quoi consiste la réduction électrocatalytique du CO2 ?

Il s’agit d’un procédé utilisant des catalyseurs supportés sur une électrode pour transformer sélectivement le CO2 en composés comme le monoxyde de carbone ou le méthanol.

Quel est le défi du support carboné ?

Exposé à un pH élevé, il se dégrade et diminue l’efficacité du catalyseur.

Comment le TiO2 améliore-t-il la réduction du CO2 ?

Traité au plasma, il devient un meilleur support de catalyseur grâce à ses propriétés électrochimiques.

Quels sont les avantages des nanoparticules d’argent ?

Chargé avec des AgNP, le TiO2 catalyse mieux la production d’hydrogène nécessaire à la conversion du CO2.

Comment cette technologie peut-elle aider l’environnement ?

Couplée aux énergies vertes, elle pourrait convertir le CO2 en carburants propres et lutter contre le changement climatique.

Article : « Synergistic effect of Ag decorated in-liquid plasma treated titanium dioxide catalyst for efficient electrocatalytic CO2 reduction application » – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.166018