Un seul point quantique de graphène dopé à l'azote avec des bords en zigzag. Crédit :Ajayan Group/Rice University
Les points quantiques de graphène peuvent offrir un moyen simple de recycler les déchets de dioxyde de carbone en carburant précieux plutôt que de le relâcher dans l'atmosphère ou de l'enterrer sous terre, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Les points quantiques de graphène dopé à l'azote (NGQD) sont un électrocatalyseur efficace pour fabriquer des hydrocarbures complexes à partir de dioxyde de carbone, selon l'équipe de recherche dirigée par le scientifique des matériaux de riz Pulickel Ajayan. En utilisant l'électrocatalyse, son laboratoire a démontré la conversion du gaz à effet de serre en petits lots d'éthylène et d'éthanol.
La recherche est détaillée cette semaine dans Communication Nature .
Bien qu'ils ne comprennent pas entièrement le mécanisme, les chercheurs ont découvert que les NGQD fonctionnaient presque aussi efficacement que le cuivre, qui est également testé comme catalyseur pour réduire le dioxyde de carbone en carburants liquides et produits chimiques. Et les NGQD conservent longtemps leur activité catalytique, ils ont rapporté.
"C'est surprenant parce que les gens ont essayé tous les types de catalyseurs. Et il n'y a que quelques vrais choix tels que le cuivre, " a déclaré Ajayan. " Je pense que ce que nous avons trouvé est fondamentalement intéressant, car il fournit une voie efficace pour cribler de nouveaux types de catalyseurs pour convertir le dioxyde de carbone en produits de plus grande valeur. »
Ces problèmes ne sont pas un secret. Le dioxyde de carbone atmosphérique a dépassé les 400 parties par million plus tôt cette année, le plus haut depuis au moins 800, 000 ans, tel que mesuré par l'analyse des carottes de glace.
Des points quantiques de graphène dopé à l'azote se détachent d'un substrat dans une image au microscope électronique à transmission. Les points sont des électrocatalyseurs efficaces qui peuvent réduire le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, aux hydrocarbures précieux comme l'éthylène et l'éthanol. Crédit :Ajayan Group/Rice University
"Si nous pouvons convertir une fraction importante du dioxyde de carbone émis, nous pourrions freiner l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique, qui ont été liés au changement climatique, " a déclaré le co-auteur Paul Kenis de l'Université de l'Illinois.
Dans les tests en laboratoire, Les NGQD se sont avérés capables de réduire le dioxyde de carbone jusqu'à 90 % et de convertir 45 % en éthylène ou en alcool, comparable aux électrocatalyseurs en cuivre.
Les points quantiques de graphène sont des feuilles d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome qui ont été divisées en particules d'environ un nanomètre d'épaisseur et de quelques nanomètres de large. L'ajout d'atomes d'azote aux points permet diverses réactions chimiques lorsqu'un courant électrique est appliqué et qu'une matière première telle que le dioxyde de carbone est introduite.
"Le carbone n'est généralement pas un catalyseur, " Ajayan a déclaré. "L'une de nos questions est de savoir pourquoi ce dopage est si efficace. Lorsque l'azote est inséré dans le réseau graphitique hexagonal, il peut prendre plusieurs positions. Chacun de ces postes, selon l'endroit où se trouve l'azote, devrait avoir une activité catalytique différente. Donc ça a été un casse-tête, et bien que les gens aient écrit beaucoup d'articles au cours des cinq à 10 dernières années sur le carbone dopé et défectueux étant catalytique, le puzzle n'est pas vraiment résolu."
Une illustration d'un point quantique de graphène dopé à l'azote comme ceux testés à l'Université Rice pour être utilisés comme catalyseurs pour réduire le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, en hydrocarbures précieux. Crédit :Ajayan Group/Rice University
"Nos résultats suggèrent que l'azote pyridinique (un composé organique basique) situé au bord des points quantiques de graphène conduit à la conversion catalytique du dioxyde de carbone en hydrocarbures, " a déclaré le chercheur postdoctoral Rice Jingjie Wu, co-auteur principal de l'article. "La prochaine tâche consiste à augmenter encore la concentration d'azote pour aider à augmenter le rendement en hydrocarbures."
Ajayan a noté que bien que l'électrocatalyse soit efficace à l'échelle du laboratoire pour le moment, l'industrie s'appuie sur la catalyse thermique évolutive pour produire des carburants et des produits chimiques. "Pour cette raison, les entreprises ne l'utiliseront probablement pas de sitôt pour une production à grande échelle. Mais l'électrocatalyse peut être facilement réalisée en laboratoire, et nous avons montré qu'il sera utile dans le développement de nouveaux catalyseurs. »
