Le plasma non thermique (NTP) est utilisé pour activer le CO₂ molécules d'hydrogénation en carburants alternatifs à basse température, permettant également la conversion d'électricité renouvelable en énergie chimique. Des chercheurs de Tokyo Tech ont combiné des méthodes expérimentales et informatiques pour étudier la voie d'hydrogénation du CO₂ promu par le NTP à la surface de Pd₂ Ga/SiO₂ catalyseurs. Les connaissances mécanistes de leur étude peuvent contribuer à améliorer l'efficacité de l'hydrogénation catalytique du CO₂ et permet aux ingénieurs de concevoir de nouveaux concepts de catalyseurs.

Changement climatique accéléré par l'excès de CO₂ émissions a été une préoccupation majeure au cours des dernières années. Pour faire face à ce problème, les technologies qui peuvent non seulement réduire et éliminer l'excès de CO₂ émissions mais aussi les transformer en produits chimiques à valeur ajoutée sont en cours de développement. L'une de ces méthodes est l'hydrogénation du CO₂ utiliser de l'hydrogène renouvelable pour produire des carburants alternatifs.

Au fil des ans, différentes stratégies ont été développées pour améliorer le CO₂ hydrogénation en présence de catalyseurs métalliques. Le plus prometteur d'entre eux est le plasma non thermique (NTP). Il favorise l'hydrogénation du CO₂ au-delà de la limite thermodynamique même à basse température sans désactiver les catalyseurs métalliques, qui sont vulnérables à des températures plus élevées. Malgré la popularité croissante de cette technique, les interactions entre les espèces activées par le NTP et les catalyseurs métalliques ne sont toujours pas bien comprises.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, dirigée par le professeur Tomohiro Nozaki, a conçu une étude pour combler ce manque de compréhension. Dans leur récente découverte, publiée dans le Journal of the American Chemical Society , les chercheurs ont révélé la dynamique de réaction pour le CO₂ assisté par le NTP hydrogénation à la surface de Pd₂ Ga/SiO₂ catalyseurs d'alliage qui conduisent à la formation de formiate.

"Des mécanismes de réaction comme Eley-Rideal ou la voie E-R ont été proposés pour expliquer l'efficacité du CO₂ conversion à des températures plus basses et l'énergie d'activation de cette réaction diminue considérablement. De plus, le NTP produit une quantité abondante de CO₂ activé par vibration qui est la clé pour améliorer le CO₂ conversion au-delà de l'équilibre thermique », explique le professeur Nozaki.

L'équipe a étudié les réactions entre le CO₂ activé par le NTP et Pd₂ Ga/SiO₂ catalyseurs d'alliage dans un réacteur à décharge à barrière diélectrique à lit fluidisé (Figure 1 et vidéos) et les a comparés à la catalyse thermique conventionnelle. Les résultats ont révélé que le CO₂ la conversion en formiate était plus que doublée dans le cas de l'hydrogénation assistée par NTP par rapport à la conversion thermique. Pour mieux établir les mécanismes de la conversion mentionnée, les scientifiques ont adopté l'analyse spectroscopique in situ et les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT).

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

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