2 est activé à l'interface électrode-électrolyte; leur découverte fait passer la conception du catalyseur d'un paradigme d'essais et d'erreurs à une approche rationnelle et pourrait conduire à des alternatives, moins cher, et un stockage plus sûr des énergies renouvelables
New York, NY—17 septembre 2018—Les scientifiques ont longtemps cherché des moyens de convertir une abondance de CO 2 aux produits utiles tels que les produits chimiques et le carburant. Dès 1869, ils étaient capables de convertir électrocatalytiquement le CO 2 à l'acide formique. Au cours des deux dernières décennies, la montée du CO 2 dans l'atmosphère terrestre a considérablement accéléré la recherche sur le CO 2 conversion utilisant des ressources énergétiques renouvelables, y compris solaire, vent, et marée. Parce que ces ressources sont intermittentes - le soleil ne brille pas tous les jours, le vent ne souffle pas non plus en permanence – comment stocker l'énergie renouvelable de manière sûre et rentable est un défi majeur.
Recherches récentes en CO électrocatalytique 2 la conversion ouvre la voie à l'utilisation du CO 2 comme matière première et l'électricité renouvelable comme source d'énergie pour la synthèse de différents types de carburants et de produits chimiques à valeur ajoutée tels que l'éthylène, éthanol, et propane. Mais les scientifiques ne comprennent toujours pas même la première étape de ces réactions :le CO 2 Activation, ou la transformation du CO linéaire 2 molécule à la surface du catalyseur lors de l'acceptation du premier électron. Connaître la structure exacte du CO activé 2 est essentiel car sa structure dicte à la fois le produit final de la réaction et son coût énergétique. Cette réaction peut commencer à partir de nombreuses étapes initiales et suivre de nombreuses voies, donnant typiquement un mélange de produits. Si les scientifiques découvrent comment le processus fonctionne, ils seront mieux à même de favoriser ou d'inhiber sélectivement certaines voies, qui conduira au développement d'un catalyseur commercialement viable pour cette technologie.
Les chercheurs de Columbia Engineering ont annoncé aujourd'hui avoir résolu la première pièce du puzzle :ils ont prouvé que le CO 2 l'électroréduction commence par un intermédiaire commun, pas deux comme on le pensait communément. Ils ont appliqué une suite complète de méthodes expérimentales et théoriques pour identifier la structure du premier intermédiaire de CO 2 électroréduction :carboxylate de CO 2 - qui est attaché à la surface avec des atomes C et O. Leur percée, publié en ligne aujourd'hui dans PNAS , est venu en appliquant la diffusion Raman améliorée en surface (SERS) au lieu de la spectroscopie infrarouge améliorée en surface plus fréquemment utilisée (SEIRAS). Les résultats spectroscopiques ont été corroborés par la modélisation chimique quantique.
"Nos découvertes sur le CO 2 l'activation ouvrira la porte à un éventail incroyablement large de possibilités :si nous pouvons bien comprendre le CO 2 électroréduction, nous pourrons réduire notre dépendance aux énergies fossiles, contribuer à l'atténuation du changement climatique, " dit l'auteur principal du journal, Irina Chernyshova, chercheur associé, Département de génie de la terre et de l'environnement. "En outre, notre vision du CO 2 l'activation à l'interface solide-eau permettra aux chercheurs de mieux modéliser les scénarios prébiotiques à partir du CO 2 à des molécules organiques complexes qui pourraient avoir conduit à l'origine de la vie sur notre planète."
Ils ont décidé d'utiliser SERS plutôt que SEIRAS pour leurs observations car ils ont découvert que SERS présente plusieurs avantages significatifs qui permettent une identification plus précise de la structure de l'intermédiaire de réaction. Plus important encore, les chercheurs ont pu mesurer les spectres vibrationnels d'espèces formées à l'interface électrode-électrolyte sur tout le domaine spectral et sur une électrode en fonctionnement (in operandi). En utilisant à la fois des simulations de chimie quantique et des méthodes électrochimiques conventionnelles, les chercheurs ont pu obtenir le premier aperçu détaillé de la façon dont le CO 2 est activé à l'interface électrode-électrolyte.
Comprendre la nature du premier intermédiaire de réaction est une étape critique vers la commercialisation du CO électrocatalytique 2 conversion en produits chimiques utiles. Il crée une base solide pour passer du paradigme des essais et erreurs à la conception rationnelle des catalyseurs. "Avec ces connaissances et cette puissance de calcul, " dit le co-auteur de l'article Sathish Ponnurangam, un ancien étudiant diplômé et postdoctoral dans le laboratoire de Somasundaran qui est maintenant professeur adjoint de génie chimique et pétrolier à l'Université de Calgary, Canada, « les chercheurs pourront prédire plus précisément la réaction sur différents catalyseurs et préciser les plus prometteurs, qui peuvent ensuite être synthétisés et testés."
"Les expériences de Columbia Engineering fournissent de tels détails que nous devrions être en mesure d'obtenir une validation très définitive des modèles de calcul, " dit Guillaume Goddard, Charles et Mary Ferkel professeur de chimie, La science des matériaux, et physique appliquée à CalTech, qui n'a pas participé à l'étude. "Je m'attends à ce qu'avec notre théorie, les expériences Columbia Engineering fourniront des mécanismes précis à établir et qui examinent comment les mécanismes changent pour différents alliages, structures de surface, électrolytes, additifs, doit permettre d'optimiser les électrocatalyseurs des crachements d'eau (combustibles solaires), CO 2 réduction aux carburants et matières premières organiques, réduction de N2 en NH3 pour obtenir des engrais beaucoup moins chers, tous les problèmes clés auxquels la société est confrontée pour obtenir l'énergie et la nourriture nécessaires pour accueillir notre population qui explose."
L'électrocatalyse et la photocatalyse (dite photosynthèse artificielle) sont parmi les moyens les plus prometteurs de parvenir à un stockage efficace des énergies renouvelables. CO 2 l'électroréduction captive l'imagination des chercheurs depuis plus de 150 ans en raison de sa similitude avec la photosynthèse. Tout comme une plante convertit la lumière du soleil en énergie chimique, un catalyseur convertit les électrons fournis par l'énergie renouvelable en énergie chimique qui est stockée dans des produits réduits de CO 2 . En plus de son application pour les énergies renouvelables, la technologie d'électrocatalyse peut également permettre des missions et des colonies habitées sur Mars en fournissant du carburant pour le voyage de retour et des produits chimiques carbonés du CO 2 qui représente 95 pour cent de l'atmosphère de cette planète.
"Nous nous attendons à ce que nos découvertes et notre méthodologie stimulent le travail sur la façon de faire aller plus vite et à moindre coût énergétique non seulement le CO électrocatalytique mais aussi photocatalytique 2 réduction, " dit Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb Professeur de génie minéral, Département de génie de la terre et de l'environnement. "Dans le dernier cas, un catalyseur réduit le CO 2 en utilisant la lumière directe du soleil. Même si ces deux approches sont expérimentalement différentes, elles sont microscopiquement similaires - les deux commencent par l'activation du CO 2 lors du transfert d'électrons à partir d'une surface de catalyseur. À ce point, Je crois que ces deux approches domineront l'avenir."
L'équipe travaille maintenant à découvrir les étapes de réaction suivantes - pour voir comment le CO 2 est encore transformé et pour développer des catalyseurs supérieurs à base d'éléments abondants en terre tels que Cu (cuivre) et Sn (étain).
L'étude s'intitule "Sur l'origine du premier intermédiaire insaisissable de l'électroréduction du CO2".
