Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago et du Centre commun pour la photosynthèse artificielle ont déterminé comment les électrocatalyseurs peuvent convertir le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone en utilisant de l'eau et de l'électricité. La découverte peut conduire au développement d'électrocatalyseurs efficaces pour la production à grande échelle de gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène.

« La réduction électrochimique du dioxyde de carbone en carburants est un sujet d'un intérêt considérable car elle offre un moyen de stocker de l'électricité à partir de sources d'énergie telles que le vent et le rayonnement solaire sous forme de liaisons chimiques, " dit Meenesh Singh, professeur adjoint de génie chimique et auteur principal de l'étude publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .

Au cours de sa recherche postdoctorale à l'Université de Californie, Berkeley, Singh a étudié la photosynthèse artificielle et faisait partie d'une équipe qui a développé des feuilles artificielles qui, en cas d'exposition directe au soleil, étaient capables de convertir le dioxyde de carbone en carburants.

Dans ses dernières recherches, Singh a développé un modèle multi-échelle de pointe qui unit une analyse quantique-chimique de la voie de réaction; un modèle microcinétique de la dynamique de réaction; et un modèle de continuum pour le transport des espèces dans l'électrolyte pour apprendre précisément comment le dioxyde de carbone peut être réduit électrochimiquement grâce à un catalyseur, dans ce cas l'argent, et transformé en monoxyde de carbone.

Alors que la voie de réaction la plus plausible est généralement identifiée à partir du calcul quantique de la voie d'énergie libre la plus faible, cette approche peut être trompeuse lorsque les couvertures d'espèces adsorbées diffèrent de manière significative, dit Singh. C'est essentiel, donc, intégrer les effets des états électroniques d'un catalyseur au niveau atomique avec la dynamique des espèces dans l'électrolyte au niveau du continuum pour une prédiction précise des voies de réaction électrocatalytique.

"Ce modèle multi-échelle est l'une des plus grandes réalisations en électrochimie, " il a dit.

Pour comprendre le fonctionnement des électrocatalyseurs dans les piles à combustible ou les piles électrochimiques, les scientifiques doivent d'abord sonder les niveaux électronique et quantique, ce qui peut être extrêmement difficile en présence d'un champ électrique, dit Jason Goodpaster, professeur adjoint de chimie à l'Université du Minnesota et l'un des co-auteurs. Il a fallu plus d'un an à Singh et Goodpaster pour produire et comparer individuellement les modèles et les intégrer dans un cadre multi-échelle pour la simulation à grande échelle de la réaction électrochimique.

C'est la première fois, Singh a dit, que les scientifiques ont prédit quantitativement à partir des premiers principes, la densité actuelle du monoxyde de carbone et de l'hydrogène en fonction du potentiel appliqué et de la pression du dioxyde de carbone.

"Une fois que vous reconnaissez comment ces réactions se produisent sur les électrocatalyseurs, vous pouvez contrôler la structure des catalyseurs et les conditions de fonctionnement pour produire efficacement du monoxyde de carbone, ", a déclaré Singh. Comme ce sont des gaz produits - le monoxyde de carbone et l'hydrogène sont insolubles dans les électrolytes aqueux - ils peuvent être facilement séparés en tant que gaz de synthèse et convertis en carburants tels que le méthanol, éther diméthylique, ou un mélange d'hydrocarbures.

Les électrocatalyseurs tels que l'or, argent, zinc, le palladium et le gallium sont connus pour produire des mélanges de dioxyde de carbone et d'hydrogène à divers rapports en fonction de la tension appliquée, dit Singh. L'or et l'argent présentent l'activité la plus élevée vers la réduction du dioxyde de carbone, et comme l'argent est plus abondant et moins cher que l'or, "l'argent est l'électrocatalyseur le plus prometteur pour la production à grande échelle de monoxyde de carbone, " il a dit.