Imaginez si le dioxyde de carbone (CO 2 ) pourrait facilement être convertie en énergie utilisable. Chaque fois que vous respirez ou conduisez un véhicule à moteur, vous produisez un ingrédient clé pour générer des carburants. Comme la photosynthèse chez les plantes, nous pourrions transformer du CO 2 en molécules indispensables à la vie de tous les jours. Maintenant, les scientifiques font un pas de plus.

Des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) font partie d'une collaboration scientifique qui a identifié un nouvel électrocatalyseur qui convertit efficacement le CO 2 au monoxyde de carbone (CO), une molécule hautement énergétique. Leurs conclusions ont été publiées le 1er février dans Sciences de l'énergie et de l'environnement .

« Il existe de nombreuses façons d'utiliser le CO, " dit Eli Stavitski, un scientifique à Brookhaven et un auteur sur le papier. "Vous pouvez le faire réagir avec de l'eau pour produire de l'hydrogène gazeux riche en énergie, ou avec de l'hydrogène pour produire des produits chimiques utiles, tels que les hydrocarbures ou les alcools. S'il y avait une durabilité, itinéraire rentable pour transformer le CO 2 au CO, cela profiterait grandement à la société.

Les scientifiques ont longtemps cherché un moyen de convertir le CO 2 au CO, mais les électrocatalyseurs traditionnels ne peuvent pas initier efficacement la réaction. C'est parce qu'une réaction concurrente, appelée réaction de dégagement d'hydrogène (HER) ou "water splitting", " prend le pas sur le CO 2 réaction de conversion.

Quelques métaux nobles, comme l'or et le platine, peut l'éviter et convertir le CO 2 au CO ; cependant, ces métaux sont relativement rares et trop chers pour servir de catalyseurs rentables. Donc, convertir le CO 2 au CO de manière rentable, les scientifiques ont utilisé une toute nouvelle forme de catalyseur. Au lieu de nanoparticules de métaux nobles, ils utilisaient des atomes simples de nickel.

"Nickel métal, en masse, a rarement été sélectionné comme candidat prometteur pour la conversion du CO 2 au CO, " a déclaré Haotian Wang, un Rowland Fellow à l'Université Harvard et l'auteur correspondant sur le papier. "L'une des raisons est qu'il la performe très bien, et fait baisser le CO 2 sélectivité de réduction de façon spectaculaire. Une autre raison est que sa surface peut être facilement empoisonnée par les molécules de CO si elles sont produites. »

Atomes simples de nickel, cependant, produire un résultat différent.

"Les atomes simples préfèrent produire du CO, plutôt que d'effectuer la compétition HER, parce que la surface d'un métal en vrac est très différente des atomes individuels, " a déclaré Stavitski.

Klaus Attenkofer, également scientifique de Brookhaven et co-auteur de l'article, ajoutée, "La surface d'un métal a un potentiel énergétique - il est uniforme. Alors que sur un seul atome, chaque endroit à la surface a un type d'énergie différent."

En plus des propriétés énergétiques uniques des atomes simples, le CO 2 La réaction de conversation a été facilitée par l'interaction des atomes de nickel avec une feuille de graphène environnante. L'ancrage des atomes au graphène a permis aux scientifiques de régler le catalyseur et de supprimer HER.

Pour examiner de plus près les atomes de nickel individuels dans la feuille de graphène atomiquement mince, les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science. En balayant une sonde électronique sur l'échantillon, les scientifiques ont pu visualiser des atomes de nickel discrets sur le graphène.

"Notre microscope électronique à transmission de pointe est un outil unique pour voir des caractéristiques extrêmement minuscules, tels que des atomes simples, " a déclaré Sooyeon Hwang, scientifique au CFN et co-auteur de l'article.

"Les atomes isolés sont généralement instables et ont tendance à s'agréger sur le support, " a ajouté Dong Su, également scientifique du CFN et co-auteur de l'article. "Toutefois, nous avons trouvé que les atomes de nickel individuels étaient répartis uniformément, ce qui explique l'excellente performance de la réaction de conversion."

Pour analyser la complexité chimique du matériau, les scientifiques ont utilisé la ligne de lumière 8-ID à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), également une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab. La lumière à rayons X ultra-brillante du NSLS-II a permis aux scientifiques de « voir » une vue détaillée de la structure interne du matériau.

"Photons, ou des particules de lumière, interagir avec les électrons des atomes de nickel pour faire deux choses, " Stavitski a déclaré. "Ils envoient les électrons à des états d'énergie plus élevés et, en cartographiant ces états d'énergie, on peut comprendre la configuration électronique et l'état chimique du matériau. En augmentant l'énergie des photons, ils expulsent les électrons des atomes et interagissent avec les éléments voisins. cela a fourni aux scientifiques une image de la structure locale des atomes de nickel.

Sur la base des résultats des études à Harvard, NSLS-II, CFN, et d'autres établissements, les scientifiques ont découvert que des atomes de nickel simples catalysaient le CO 2 réaction de conversion avec une efficacité maximale de 97 pour cent. Les scientifiques disent qu'il s'agit d'une étape majeure vers le recyclage du CO 2 pour l'énergie utilisable et les produits chimiques.

"Pour appliquer cette technologie à des applications réelles à l'avenir, nous visons actuellement à produire ce catalyseur à un seul atome de manière bon marché et à grande échelle, tout en améliorant ses performances et en maintenant son efficacité, " dit Wang.