Les chimistes ont mis au point une structure à l'échelle nanométrique qui combine le cuivre, l'or et l'argent pour fonctionner comme un catalyseur supérieur dans une réaction chimique dont les performances améliorées seront essentielles si les efforts de capture et d'utilisation du carbone doivent réussir à aider à atténuer le réchauffement climatique.

Une étude décrivant le processus est parue dans la revue Nano Research le 15 mars.

Face au défi du changement climatique, les décideurs politiques se sont de plus en plus concentrés ces dernières années sur la capture et l'utilisation du carbone (CCU), où le CO₂ est extrait de l'atmosphère et ensuite utilisé comme matière première pour les produits chimiques industriels (tels que le monoxyde de carbone, l'acide formique, l'éthylène et l'éthanol) ou pour la production de carburants synthétiques neutres en carbone (particulièrement utiles pour les secteurs de transport difficiles à électrifier tels que l'aviation long-courrier et le transport maritime). Tant que ce dernier processus est alimenté par de l'électricité propre, il offre également un moyen de stocker l'énergie renouvelable sur le long terme, le Saint Graal pour surmonter l'intermittence des options énergétiques telles que l'énergie éolienne et solaire.

Un moyen possible de faire tout cela est via une réaction chimique appelée le CO électrochimique₂ réaction de réduction (eCO₂ RR, ou simplement ECR). Celui-ci utilise l'électricité pour alimenter la conversion du gaz en d'autres substances utilisables en séparant le CO₂ les atomes de carbone de ses atomes d'oxygène. L'eau peut également fournir des "donneurs" d'hydrogène dans certaines variétés d'ECR, les atomes de carbone étant combinés à l'hydrogène pour produire diverses espèces d'hydrocarbures ou d'alcools.

La clé de l'ECR est d'utiliser le bon catalyseur ou une substance chimique dont la structure et la charge lui permettent de déclencher ou d'accélérer une réaction chimique. Divers métaux différents ont été utilisés comme catalyseurs en fonction du produit final souhaité. Les catalyseurs utilisant un seul type de métal comprennent l'étain pour produire de l'acide formique, l'argent pour le monoxyde de carbone (CO) et le cuivre pour le méthane, l'éthylène ou l'éthanol.

Cependant, les performances du processus peuvent être limitées lorsque l'ECR entre en concurrence avec la tendance des atomes d'hydrogène dans la division électrochimique de l'eau à s'apparier avec eux-mêmes au lieu de se joindre aux atomes de carbone. Cette concurrence peut conduire à la production (ou "sélection") d'un produit chimique final différent de celui souhaité. En conséquence, les chimistes sont depuis longtemps à la recherche de catalyseurs à haute "sélectivité".

Récemment, au lieu d'utiliser un seul métal comme catalyseur, les chercheurs se sont tournés vers l'utilisation d'hétérostructures qui incorporent deux matériaux distincts dont les propriétés combinées produisent des résultats différents ou supérieurs à l'un ou l'autre des matériaux pris individuellement.

Certaines des hétérostructures qui ont été testées pour l'ECR comprennent la combinaison d'argent et de palladium dans une formation en forme de branche ( AgPd «nanodentrites») et diverses autres combinaisons de deux métaux en forme de sandwich, de tube, de pyramide et autres. Les chercheurs ont connu un succès considérable avec des hétérostructures bimétalliques qui incluent du cuivre, qui est très bon pour convertir le CO₂ en produits qui utilisent deux atomes de carbone. Ces hétérostructures bimétalliques comprennent l'argent-cuivre (AgCu), le zinc-cuivre (ZnCu) et l'or-cuivre (AuCu), ce dernier bénéficiant d'un succès de sélectivité particulier pour le méthane, C₂ et monoxyde de carbone.

"Nous pensions que si deux métaux produisaient de bons résultats, alors peut-être que trois métaux seraient encore meilleurs", a déclaré Zhicheng Zhang, nanochimiste à l'Université de Tianjin et co-auteur de l'étude.

Les chercheurs ont donc construit une nanostructure trimétallique combinant or, argent et cuivre et de forme asymétrique. La forme et le rapport précis des trois métaux peuvent être modifiés via une méthode de croissance impliquant plusieurs étapes. Plus précisément, les "nanopyramides" d'or sont d'abord synthétisées et utilisées comme "graines" pour la croissance ultérieure de diverses structures trimétalliques impliquant différents rapports des trois métaux.

Ils ont découvert qu'en raison de la forme unique de leur conception d'hétérostructure et en modifiant les rapports de ces trois métaux, ils pouvaient ajuster soigneusement la sélectivité vers différents C₂ produits à base. Production d'éthanol (C₂ H₆ O) en particulier a été maximisée en utilisant une hétérostructure avec le rapport d'alimentation impliquant un atome d'or et d'argent combiné avec cinq atomes de cuivre.

Les travaux définissent une stratégie prometteuse pour le développement d'autres nanomatériaux trimétalliques dans le cadre du développement de l'ECR. + Explorer plus loin

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