Les chimistes du NUS ont découvert des facteurs clés déterminant la sélectivité des catalyseurs au cuivre (Cu) pour transformer le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en produits chimiques et carburants utiles.

La réduction électrochimique du CO2 grâce à l'électricité renouvelable est une technologie prometteuse pour maîtriser les émissions de CO2 et produire des produits chimiques à haute valeur ajoutée. En fournissant des électrons à un catalyseur Cu, les molécules de dioxyde de carbone et d'eau qui sont attachées à sa surface peuvent être transformées en molécules utiles telles que le méthane et l'éthylène. Ceci est similaire au processus de photosynthèse dans lequel le CO2 et l'eau sont convertis par les plantes en sucre.

Accroître la sélectivité de la réduction de CO2 vers des produits ciblés est l'un des principaux défis à relever pour rendre le procédé plus viable industriellement. Des travaux de recherche antérieurs pour concevoir des catalyseurs au cuivre sélectifs se sont largement concentrés sur la nanostructuration et l'ingénierie des défauts de leurs surfaces. Dans ce travail, l'équipe de recherche dirigée par le professeur YEO Boon Siang, Jason du département de chimie, NUS a découvert que le potentiel appliqué (tension électrique) et l'amplitude du courant, qui ont été largement négligés, sont des facteurs clés déterminant la sélectivité des catalyseurs Cu dans les réactions d'électroréduction du CO2. Le courant produit à une tension électrique particulière dépend également en grande partie de la rugosité des catalyseurs Cu. En ajustant la tension appliquée et la rugosité de surface d'un catalyseur Cu, Le CO2 et l'eau peuvent être amenés à favoriser la production d'un composé carboné spécifique lors du processus de réduction électrochimique.

Les découvertes de l'équipe peuvent permettre le développement de catalyseurs plus sélectifs pour transformer le CO2 en produits chimiques et carburants utiles. Par exemple, en réglant le facteur de rugosité de surface d'un échantillon de Cu à 1,4 et la tension appliquée à -1,2 V par rapport à une électrode à hydrogène réversible (une électrode de référence), la sélectivité de la réduction du CO2 en méthane peut être augmentée de manière significative jusqu'à plus de 60 % (voir figure). Ce catalyseur est parmi les catalyseurs les plus sélectifs de la communauté scientifique pour la formation de méthane. Les performances de plus de 20 catalyseurs à base de Cu précédemment rapportés ont également été analysées, et se sont avérés corroborer les conclusions de l'équipe.

Le professeur Yeo a dit, "Nous avons découvert que les catalyseurs Cu dérivés de divers précurseurs, peut être similaire en termes de composition chimique. Cependant, leurs performances catalytiques pourraient être très différentes. Des explications telles que la présence de marches, des bords et des défauts sur les catalyseurs sont typiquement invoqués pour expliquer ces phénomènes. Notre équipe a découvert que le potentiel appliqué et le transport de masse du CO2, qui sont affectés par les courants, sont également des paramètres critiques affectant la sélectivité des catalyseurs Cu, et ne peut être ignoré."