Un article récent dans la revue de chimie durable ChemSusChem ont révélé que des chercheurs de l'Université de Pittsburgh « dopent » des nanoparticules pour améliorer leur capacité à capturer le dioxyde de carbone et fournir une source brute de carbone pour les processus industriels. A ne pas confondre avec son utilisation négative en athlétisme, Le "dopage" en génie chimique fait référence à l'ajout d'une substance dans un autre matériau pour améliorer ses performances.

Avec les températures mondiales, recherches sur le captage du dioxyde de carbone (CO 2 ) est en hausse. La quantité de CO 2 dans l'atmosphère a atteint un sommet historique de 408 parties par million, selon les dernières mesures de la NASA. Des études antérieures ont montré le lien entre les gaz à effet de serre comme le CO 2 et la tendance au réchauffement, qui a commencé au tournant du 20e siècle.

"Beaucoup de nos processus industriels contribuent à la quantité alarmante de CO 2 dans l'atmosphère, il faut donc développer de nouvelles technologies pour intervenir, " dit Giannis Mpourmpakis, professeur adjoint de génie chimique et pétrolier à la Swanson School of Engineering de Pitt. "Capturer le CO 2 de l'atmosphère et sa conversion en produits chimiques utiles peut être bénéfique à la fois pour l'environnement et l'industrie. »

Le Dr Mpourmpakis est co-auteur de l'étude intitulée "Design of Copper-Based Bimetallic Nanoparticles for Carbon Dioxide Adsorption and Activation" dans ChemSusChem , avec d'autres chercheurs du département de génie chimique et pétrolier de Pitt, dont le professeur Götz Veser et trois doctorats. étudiants :James Dean, Nathalie Austin, et Yahui Yang. Une représentation artistique des nanomatériaux de cuivre dopés au zirconium est apparue sur l'une des couvertures du journal pour le volume 11, Numéro 7 en avril 2018.

Grâce à une série de simulations informatiques et d'expériences en laboratoire, les chercheurs ont conçu et développé un catalyseur stable pour la capture et l'activation du CO 2 en dopant des nanoparticules de cuivre avec du zirconium. Les chercheurs pensent que les nanoparticules ont un grand potentiel pour réduire l'empreinte carbone de certains processus tels que la combustion de combustibles fossiles. Cependant, CO 2 les molécules sont plutôt réticentes à changer.

"CO 2 est une molécule très stable qui doit être "activée" pour la convertir. Cette activation se produit en liant le CO 2 vers des sites catalytiques qui rendent la liaison carbone-oxygène moins stable. Nos expériences ont confirmé les calculs de chimie computationnelle dans le groupe Mpourmpakis que le dopage du cuivre avec du zirconium crée un bon candidat pour affaiblir le CO 2 obligations, " explique le Dr Veser.

Le groupe de Mpourmpakis a utilisé la chimie computationnelle pour simuler des centaines d'expériences potentielles beaucoup plus rapidement et à moindre coût que les méthodes de laboratoire traditionnelles et a identifié le dopant candidat le plus prometteur qui a ensuite été vérifié expérimentalement.

Les nanoparticules de cuivre sont bien adaptées à la conversion du CO 2 aux produits chimiques utiles parce qu'ils sont bon marché, et ce sont d'excellents catalyseurs d'hydrogénation. Par hydrogénation, CO 2 peuvent être convertis en produits chimiques de plus grande valeur tels que le méthanol (CH 3 OH) ou le méthane (CH 4 ). Malheureusement, conversion du CO 2 nécessite également son activation que le cuivre n'est pas en mesure de délivrer. Le zirconium s'entend bien avec le cuivre et active naturellement le CO 2 .

"Pour avoir un dopant efficace, vous devez avoir des sites sur la surface du catalyseur qui transmettent des électrons au CO 2 , " explique le Dr Mpourmpakis. " Le dopant modifie les caractéristiques électroniques des matériaux, et nous avons trouvé que le zirconium est particulièrement efficace pour activer le CO 2 ."

Les chercheurs de Pitt ont testé un certain nombre de configurations de nanoparticules différentes et ont découvert que les nanoparticules de cuivre dopées au zirconium étaient des catalyseurs particulièrement prometteurs pour l'hydrogénation du CO 2 et ont déjà commencé à tester leur efficacité.