Les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques et forment l'épine dorsale de nombreux processus industriels. Par exemple, ils sont indispensables à la transformation du pétrole lourd en essence ou en carburéacteur. Aujourd'hui, les catalyseurs sont impliqués dans plus de 80 pour cent de tous les produits manufacturés.

Une équipe de recherche, dirigé par le Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) en collaboration avec la Northern Illinois University, a découvert un nouvel électrocatalyseur qui convertit le dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l'eau en éthanol à très haute efficacité énergétique, haute sélectivité pour le produit final souhaité et faible coût. L'éthanol est un produit particulièrement recherché car il est un ingrédient de presque toutes les essences américaines et est largement utilisé comme produit intermédiaire dans les produits chimiques, industries pharmaceutiques et cosmétiques.

« Le processus issu de notre catalyseur contribuerait à l'économie circulaire du carbone, qui implique la réutilisation du dioxyde de carbone, " a déclaré Di-Jia Liu, chimiste senior à la division Sciences chimiques et ingénierie d'Argonne et scientifique UChicago CASE à la Pritzker School of Molecular Engineering, Université de Chicago. Ce processus le ferait en convertissant électrochimiquement le CO 2 émis par les procédés industriels, comme les centrales électriques à combustibles fossiles ou les usines de fermentation d'alcool, en produits de valeur à un coût raisonnable.

Le catalyseur de l'équipe est constitué de cuivre dispersé atomiquement sur un support en poudre de carbone. Par une réaction électrochimique, ce catalyseur décompose le CO 2 et les molécules d'eau et réassemble sélectivement les molécules brisées en éthanol sous un champ électrique externe. La sélectivité électrocatalytique, ou "Efficacité faradique, " du processus est supérieur à 90 %, beaucoup plus élevé que tout autre processus signalé. De plus, le catalyseur fonctionne de manière stable pendant un fonctionnement prolongé à basse tension.

« Avec cette recherche, nous avons découvert un nouveau mécanisme catalytique pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en éthanol, " dit Tao Xu, professeur de chimie physique et de nanotechnologie de l'Université du Nord de l'Illinois. "Le mécanisme devrait également fournir une base pour le développement d'électrocatalyseurs hautement efficaces pour la conversion du dioxyde de carbone en une vaste gamme de produits chimiques à valeur ajoutée."

Parce que le CO 2 est une molécule stable, le transformer en une molécule différente est normalement énergivore et coûteux. Cependant, selon Liu, "Nous pourrions coupler le processus électrochimique du CO 2 -conversion en éthanol à l'aide de notre catalyseur vers le réseau électrique et profiter de l'électricité à faible coût disponible à partir de sources renouvelables comme l'énergie solaire et éolienne pendant les heures creuses. » Parce que le processus fonctionne à basse température et pression, il peut démarrer et s'arrêter rapidement en réponse à la fourniture intermittente de l'électricité renouvelable.

Les recherches de l'équipe ont bénéficié de deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne - la source de photons avancée (APS) et le Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) - ainsi que le centre de ressources informatiques de laboratoire (LCRC) d'Argonne. "Grâce au flux de photons élevé des faisceaux de rayons X à l'APS, nous avons capturé les changements structurels du catalyseur au cours de la réaction électrochimique, '' a dit Tao Li, professeur adjoint au département de chimie et de biochimie de la Northern Illinois University et scientifique adjoint à la division des sciences des rayons X d'Argonne. Ces données, ainsi que la microscopie électronique à haute résolution au CNM et la modélisation informatique à l'aide du LCRC, ont révélé une transformation réversible du cuivre atomiquement dispersé en amas de trois atomes de cuivre chacun lors de l'application d'une basse tension. Le CO 2 -la catalyse en éthanol se produit sur ces minuscules amas de cuivre. Cette découverte met en lumière les moyens d'améliorer encore le catalyseur grâce à une conception rationnelle.

« Nous avons préparé plusieurs nouveaux catalyseurs en utilisant cette approche et avons constaté qu'ils sont tous très efficaces pour convertir le CO 2 à d'autres hydrocarbures, ", a déclaré Liu. "Nous prévoyons de poursuivre cette recherche en collaboration avec l'industrie pour faire progresser cette technologie prometteuse."