Développement de nouveaux catalyseurs pour l’électroréduction du dioxyde de carbone

11 août 2023

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par l'Université des sciences et technologies de Chine

En tant qu'élément crucial de la technologie de captage, d'utilisation et de stockage du carbone (CCUS), la réaction de réduction du CO2 (CO2RR) aux carburants et produits chimiques à base de carbone présente de larges perspectives d'application dans le stockage des énergies renouvelables et les émissions négatives de CO2.

Récemment, une équipe dirigée par le professeur Song Li et le chercheur associé He Qun du Laboratoire national de rayonnement synchrotron de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a proposé une nouvelle compréhension du mécanisme. de CO2RR sur les sites monoatomiques de nickel (Ni). Leur étude, intitulée « Sites mono-atomiques de nickel coordonnés au dinitrogène asymétrique pour une électroréduction efficace du CO2 », a été publiée dans Nature Communications.

Un catalyseur CO2RR idéal nécessite une faible surtension et une densité de courant élevée pour les produits. Cependant, les anciens catalyseurs sont caractérisés par un coût élevé et une faible densité de courant, comme l'or (Au) et l'argent (Ag), et présentent généralement des surpotentiels beaucoup plus élevés que l'Au et l'Ag, comme Fe, Co ou Ni, limitant l'efficacité de la réaction.

Par conséquent, il est impératif de développer des catalyseurs à base de métaux 3D abondants, à faible surpotentiel et à haute densité de courant, pour remplacer les catalyseurs en métaux précieux pour le CO2RR. Pour relever ces défis, les chercheurs ont proposé un catalyseur mono-atome de nickel asymétrique coordonné au diazote (Ni-NC). En utilisant les caractéristiques insaturées et asymétriques des sites, une auto-optimisation structurelle au cours du processus électrochimique est obtenue, améliorant ainsi l'activité intrinsèque des sites dans CO2RR.

Dans l’étude, l’équipe a conçu et synthétisé du Ni-NC comportant une coordination du diazote (azote pyridinique et pyrrolique), puis l’a utilisé pour des réactions d’électroréduction du CO2 dans des milieux neutres et alcalins. Les spectres d'absorption et d'émission des rayons X du rayonnement synchrotron ont révélé la structure de coordination locale des sites Ni dans le catalyseur. Les résultats des tests électrochimiques ont montré que le catalyseur Ni-NC pouvait atteindre des performances électrochimiques très élevées dans les électrolytes neutres (cellule de type H) et alcalins (électrode à diffusion gazeuse, GDE).

En particulier dans des conditions alcalines, le catalyseur pourrait atteindre une densité de courant partiel de CO de 20,1 mA cmgeo-2 à -0,15 V par rapport à une électrode à hydrogène réversible (VRHE), une efficacité Faraday de plus de 90 % pour le CO dans la plage de potentiel de -0,15 à - 0,9 VRHE et une fréquence de renouvellement (TOF) élevée de plus de 274 000 site-1 h-1 à -1,0 VRHE, dépassant la plupart des catalyseurs signalés.

Cette étude offre une nouvelle compréhension du rôle du catalyseur dans la réaction d'électroréduction du CO2 et promet d'apporter un nouvel éclairage sur les futures technologies de réduction du CO2.

Plus d'information: Yuzhu Zhou et al, Sites atomiques asymétriques de nickel coordonnés au diazote pour une électroréduction efficace du CO2, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39505-2

Informations sur la revue :Communications naturelles

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine