Comme l'a rapporté une équipe dans la revue Angewandte Chemie International Edition , les atomes d'azote avec une configuration électronique particulière jouent un rôle essentiel pour le catalyseur.

Éthylène (éthène, C₂ H₄ ) est une matière première essentielle pour de nombreux produits, notamment le polyéthylène et d'autres plastiques. L'éthylène est produit industriellement par craquage et rectification à haute énergie de matières premières fossiles.

La conversion électrochimique du CO₂ à l'éthylène serait une voie prometteuse pour réduire le CO₂ émissions tout en économisant de l'énergie et des ressources fossiles.

CO₂ est très stable, ce qui rend difficile sa mise en réaction. Grâce à l'utilisation de l'électricité et de catalyseurs, il est actuellement possible de le convertir en C₁ produits chimiques tels que le méthanol et le méthane.

Le défi supplémentaire dans la production d’éthylène est qu’une liaison doit être formée entre deux atomes de carbone. Jusqu'à présent, cela n'était possible qu'avec des catalyseurs au cuivre. L'électrocatalyse sans métal serait avantageuse car les métaux sont un facteur de coût et peuvent causer des problèmes environnementaux.

Une équipe dirigée par Chengtao Gong et Fu-Sheng Ke de l'Université de Wuhan, en Chine, a développé un électrocatalyseur sans métal pour la conversion du CO₂ à l'éthylène. Le catalyseur est basé sur une structure organique covalente (COF) contenant de l'azote.

Les COF sont une nouvelle classe de matériaux poreux, cristallins et purement organiques avec une topologie définie. Contrairement aux structures métallo-organiques (MOF), ils ne nécessitent aucun ion métallique pour les maintenir ensemble. Leurs tailles de pores et leurs propriétés chimiques peuvent être ajustées sur une large plage grâce à la sélection des éléments constitutifs.

Le nouveau COF contient des atomes d'azote avec une configuration électronique spéciale (sp ³ hybridation) comme centres catalytiquement actifs. Ces sp ³ Les centres azotés lient les éléments constitutifs individuels dans une structure via une liaison aminale (deux groupes aminés liés à un atome de carbone).

Contrairement aux COF avec une liaison imine classique (–C=N–), les COF aminaux ont des exigences strictes concernant les longueurs et les angles des liaisons entre les éléments constitutifs, ce qui entraîne la formation des structures via des fermetures en anneau.

Les chercheurs ont trouvé une combinaison appropriée en utilisant la pipérazine (un cycle à six chaînons composé de quatre atomes de carbone et de deux atomes d'azote) et un élément constitutif composé de trois cycles aromatiques à six chaînons. Lorsqu'ils sont utilisés comme électrodes, leurs nouveaux COF ont démontré une sélectivité et des performances élevées (efficacité Faraday jusqu'à 19,1 %) pour la production d'éthylène.

Le succès des COF aminé est dû à la haute densité de sp ³ actifs -les centres d'azote, qui captent tous deux très efficacement le CO₂ et transférer des électrons. Cela se traduit par une concentration élevée d'intermédiaires excités qui peuvent subir un couplage C-C.

En revanche, une variété de COF liés à l'imine, qui contiennent sp ² azote au lieu de sp ³ , ont été testés de la même manière et n'ont produit aucun éthylène. Cela prouve l'importance d'une configuration électronique appropriée pour la réduction électrochimique du CO₂ à l'éthylène.