Le cuivre - l'étoffe des pièces de monnaie et des bouilloires à thé - est également l'un des rares métaux qui peuvent transformer le dioxyde de carbone en hydrocarbures avec relativement peu d'énergie. Lorsqu'il est façonné en une électrode et stimulé par une tension, le cuivre agit comme un puissant catalyseur, déclencher une réaction électrochimique avec le dioxyde de carbone qui réduit le gaz à effet de serre en méthane ou méthanol.

Divers chercheurs du monde entier ont étudié le potentiel du cuivre en tant que moyen écoénergétique de recyclage des émissions de dioxyde de carbone dans les centrales électriques :au lieu d'être rejeté dans l'atmosphère, le dioxyde de carbone circulerait à travers un catalyseur au cuivre et serait transformé en méthane, qui pourrait ensuite alimenter le reste de l'usine. Un tel système auto-énergisé pourrait réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre des centrales au charbon et au gaz naturel.

Mais le cuivre est capricieux :facilement oxydé, comme quand un vieux sou devient vert. Par conséquent, le métal est instable, ce qui peut ralentir considérablement sa réaction avec le dioxyde de carbone et produire des sous-produits indésirables tels que le monoxyde de carbone et l'acide formique.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont mis au point une solution qui pourrait réduire davantage l'énergie nécessaire au cuivre pour convertir le dioxyde de carbone, tout en rendant le métal beaucoup plus stable. Le groupe a conçu de minuscules nanoparticules de cuivre mélangées à de l'or, qui résiste à la corrosion et à l'oxydation. Les chercheurs ont observé qu'une simple touche d'or rend le cuivre beaucoup plus stable. Dans les expériences, ils ont revêtu des électrodes avec les nanoparticules hybrides et ont découvert qu'il fallait beaucoup moins d'énergie pour que ces nanoparticules modifiées réagissent avec le dioxyde de carbone, par rapport aux nanoparticules de cuivre pur.

Un article détaillant les résultats paraîtra dans le journal Communications chimiques ; la recherche a été financée par la National Science Foundation. La co-auteure Kimberly Hamad-Schifferli du MIT affirme que les résultats indiquent un moyen potentiellement économe en énergie de réduire les émissions de dioxyde de carbone des centrales électriques.

« Vous devez normalement consacrer beaucoup d'énergie à la conversion du dioxyde de carbone en quelque chose d'utile, " dit Hamad-Schifferli, professeur agrégé de génie mécanique et de génie biologique. « Nous avons démontré que les nanoparticules hybrides cuivre-or sont beaucoup plus stables, et ont le potentiel de réduire l'énergie dont vous avez besoin pour la réaction.

Devenir petit

L'équipe a choisi de concevoir des particules à l'échelle nanométrique afin « d'en avoir plus pour leur argent, » Hamad-Schifferli dit :Plus les particules sont petites, plus la surface disponible pour l'interaction avec les molécules de dioxyde de carbone est grande. « Vous pourriez avoir plus de sites pour que le CO2 vienne et se transforme en autre chose, " dit-elle.

Hamad-Schifferli a travaillé avec Yang Shao-Horn, le professeur agrégé Gail E. Kendall de génie mécanique au MIT, postdoc Zichuan Xu et Erica Lai ’14. L'équipe a choisi l'or comme métal approprié à combiner avec le cuivre principalement en raison de ses propriétés connues. (Les chercheurs ont précédemment combiné l'or et le cuivre à des échelles beaucoup plus grandes, notant que la combinaison a empêché le cuivre de s'oxyder.)

Pour fabriquer les nanoparticules, Hamad-Schifferli et ses collègues ont mélangé des sels contenant de l'or dans une solution de sels de cuivre. Ils ont chauffé la solution, créant des nanoparticules qui fusionnent le cuivre avec l'or. Xu a ensuite soumis les nanoparticules à une série de réactions, transformer la solution en une poudre qui a été utilisée pour enduire une petite électrode.

Pour tester la réactivité des nanoparticules, Xu a placé l'électrode dans un bécher de solution et y a fait barboter du dioxyde de carbone. Il a appliqué une petite tension à l'électrode, et mesuré le courant résultant dans la solution. L'équipe a estimé que le courant résultant indiquerait l'efficacité avec laquelle les nanoparticules réagissaient avec le gaz :si les molécules de CO2 réagissaient avec des sites sur l'électrode - puis se libéraient pour permettre à d'autres molécules de CO2 de réagir avec les mêmes sites - le courant apparaîtrait comme un certain potentiel a été atteint, indiquant un « renouvellement » régulier. Si les molécules monopolisent des sites sur l'électrode, la réaction ralentirait, retarder l'apparition du courant au même potentiel.

L'équipe a finalement découvert que le potentiel appliqué pour atteindre un courant constant était beaucoup plus faible pour les nanoparticules hybrides cuivre-or que pour le cuivre et l'or purs - une indication que la quantité d'énergie requise pour exécuter la réaction était bien inférieure à celle requise lors de l'utilisation de nanoparticules. en cuivre pur.

Aller de l'avant, Hamad-Schifferli dit qu'elle espère examiner de plus près la structure des nanoparticules d'or-cuivre pour trouver une configuration optimale pour convertir le dioxyde de carbone. Jusque là, l'équipe a démontré l'efficacité de nanoparticules composées d'un tiers d'or et de deux tiers de cuivre, ainsi que deux tiers d'or et un tiers de cuivre.

Hamad-Schifferli reconnaît que le revêtement d'électrodes à l'échelle industrielle en partie avec de l'or peut coûter cher. Cependant, elle dit, les économies d'énergie et le potentiel de réutilisation de telles électrodes peuvent équilibrer les coûts initiaux.

"C'est un compromis, », dit Hamad-Schifferli. « L'or est évidemment plus cher que le cuivre. Mais si cela vous aide à obtenir un produit plus attrayant comme le méthane au lieu du dioxyde de carbone, et à moindre consommation d'énergie, alors ça peut valoir le coup. Si vous pouviez le réutiliser encore et encore, et la durabilité est plus élevée à cause de l'or, c'est un chèque dans la colonne plus.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.