La synthèse de produits chimiques à base de carbone via la réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2 ) est devenu l’objectif clé de nombreux efforts récents de recherche sur l’énergie. Bien que ces études aient donné des résultats prometteurs, permettant la production de divers produits chimiques largement utilisés, la plupart des approches proposées présentent une efficacité énergétique et une sélectivité médiocres.
Méthodes proposées pour la réduction électrochimique du CO2 dans l'éthylène, un hydrocarbure, par exemple, n'ont jusqu'à présent pas atteint l'efficacité énergétique et la stabilité souhaitables. Cela a empêché leur déploiement généralisé comme alternatives aux approches pétrochimiques conventionnelles pour produire de l'éthylène, qui ont des effets néfastes sur l'environnement.
Des chercheurs de l'Université Montpellier et d'autres instituts ont récemment entrepris de faciliter la synthèse sélective et économe en énergie de l'éthylène via la réduction du CO2 en fonctionnalisant des catalyseurs qui provoquent des réactions de réduction. Leur article, publié dans Nature Energy , introduit une stratégie pour fonctionnaliser les catalyseurs au cuivre (Cu) pour le CO2 réduction à l'aide de sels d'aryle diazonium, substances incolores actuellement utilisées pour synthétiser divers composés organiques.
"Bien que des progrès aient été réalisés dans la production de produits multicarbones issus de la réduction électrochimique du CO2 , la modeste sélectivité pour l'éthylène (C2 H4 ) conduit à une faible efficacité énergétique et à des coûts de séparation élevés en aval", ont écrit Huali Wu, Lingqi Huang et leurs collègues dans leur article. "Nous fonctionnalisons les catalyseurs de Cu avec une variété de sels d'aryle diazonium substitués pour améliorer la sélectivité vers des produits multi-carbones."
Dans leurs calculs et expériences, Wu, Huang et leurs collaborateurs ont découvert que différents sels d'aryle diazonium pouvaient aider à adapter l'état d'oxydation du Cu. Grâce à ces sels, ils ont ainsi pu fonctionnaliser des catalyseurs dans une cellule à assemblage membrane-électrode (MEA), le composant principal des piles à combustible qui facilite les réactions électrochimiques souhaitées, y compris les réactions qui sous-tendent la réduction du CO2 .
Les chercheurs ont testé les performances de cette Flow Cell MEA avec des sites Cu adaptés dans une série d’expériences. Ils ont découvert que leur stratégie de fonctionnalisation améliorait l'efficacité énergétique et la stabilité du CO2. réduction pour produire de l'éthylène.
"En utilisant le calcul et la spectroscopie operando, nous constatons que l'état d'oxydation de la surface du Cu (δ + où 0 <� δ <� 1) peut être ajusté par fonctionnalisation et qu'il influence la sélectivité en C2 H4 ", ont écrit les chercheurs.
"Nous rapportons un rendement faradique et une densité de courant spécifique pour C2 H4 aussi grand que 83 ± 2 % et 212 mA cm −2 , respectivement, sur Cu 0,26+ partiellement oxydé . En utilisant une alimentation en gaz CO, nous démontrons une efficacité énergétique de ~40 % avec un C2 H4 Rendement faradique de 86 ± 2%, correspondant à une faible consommation électrique de 25,6 kWh Nm −3 pour le CO à C2 H4 réaction de conversion."
L'étude récente de cette équipe de chercheurs introduit une nouvelle stratégie prometteuse pour permettre l'électrosynthèse stable et économe en énergie de l'éthylène à partir du CO2 , tirant parti de l’ingénierie de valence du cuivre. Cette stratégie pourrait bientôt être affinée et validée davantage, contribuant potentiellement à la future transition vers des méthodes plus durables pour produire de l'éthylène à grande échelle.
Plus d'informations : Huali Wu et al, Électrosynthèse sélective et économe en énergie de l'éthylène à partir du CO2 en réglant la valence des catalyseurs Cu via la fonctionnalisation de l'aryle diazonium, Nature Energy (2024). DOI :10.1038/s41560-024-01461-6.
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