Des catalyseurs d'argent nanostructurés pour valoriser le CO2

Publié par Adrien le 27/05/2021 à 09:00
Source: CNRS INC
La valorisation du dioxyde de carbone, CO2, en le convertissant en briques moléculaires élémentaires utilisables par l'industrie pétrochimique ou comme combustibles est une stratégie qui permettrait, à terme, de boucler le cycle du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...). Parmi les technologies envisagées, la réduction électrochimique, ou électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...), du CO2 en monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule...) (CO) et dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) (O2) en utilisant des sources d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...) suscite un grand intérêt. Une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de l'IEM (CNRS / ENSC Montpellier / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Montpellier) a récemment mis au point (Graphie) une nouvelle stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) pour maximiser les performances des catalyseurs nécessaires à cette conversion. Ces résultats, publiés dans la revue ACS Nano, permettent d'envisager une transformation éco-responsable du CO2 en ressource.


Les empilements obtenus par auto-assemblage de nanoprismes d'Ag présentent une majorité de sites actifs pour la conversion du dioxyde en monoxyde de carbone et une efficacité inégalée pour ce catalyseur.
@ Kun Qi

Nombreux sont les chimistes qui s'intéressent au CO2 en tant que ressource et non comme ce déchet (Un déchet (détritus, résidu..) est un objet en fin de vie ou une substance issue d'un processus,...) qui symbolise une surconsommation collective d'énergies fossiles. La Nature a depuis longtemps donné l'exemple avec la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...), fantastique génie des plantes qui utilise l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) pour faire du CO2 leur principale source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Néanmoins, transformer le CO2 reste une tâche difficile en raison de la très grande stabilité chimique des liaisons carbone-oxygène.

Une stratégie consiste à mettre au point des électrolyseurs de forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) qui utilisent un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) pour fournir des densités de courant suffisantes pour casser la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de CO2. L'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) (Ag) a été identifié comme un candidat prometteur pour convertir le CO2 en CO, directement valorisable pour d'autres transformations. Cette stratégie se heurte cependant à une faible activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) et une faible sélectivité du catalyseur. Des études récentes ont montré que les performances des électrocatalyseurs à base d'Ag pouvaient être considérablement améliorées en les nanostructurant ou en modifiant leur chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...).

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), une équipe internationale menée par des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Européen des Membranes (CNRS/ENSC Montpellier/Université de Montpellier), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Shenzhen et de l'Université de Jilin en Chine, ont mis au point une nouvelle stratégie pour fortement améliorer les performances des catalyseurs à base d'Ag.

Leur études, corroborées par des calculs théoriques, ont en effet montré que le catalyseur d'Ag peut spontanément former des nanocristaux en forme de prisme dont l'activité de surface n'est pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) uniforme. Ainsi, les arrêtes de ces nanoprismes sont des sites privilégiés pour la conversion du CO2 tandis que les faces planes sont également le lieu de réactions parasites comme l'électrolyse de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). L'idée consiste dès lors à contrôler l'exposition des "bons" sites actifs des nanocristaux d'argent en développant une stratégie d'auto-assemblage qui favorise l'empilement de prismes bidimensionnels afin de maximiser le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'arrêtes. Ces nanoprismes empilés verticalement sous forme de superstructures permettent l'exposition de plus de 95% des sites de bord, ce qui se traduit par une amélioration de la sélectivité et de l'activité catalytique pour la production de CO à partir de CO2.

En outre, en contrôlant la chimie de ces nanoprismes, les chercheurs ont pu identifier et quantifier de manière directe l'activité des sites de bords, qui s'avère nettement supérieure aux catalyseurs existants. Ces travaux, menés dans le cadre du Conseil européen de la recherche (CER) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2020 de l'Union européenne (convention de subvention (Une subvention est une aide financière, c’est-à-dire une somme d’argent, qui est...) n ° 804320), ont été publiés dans la revue ACS Nano.

Référence:
Enhancing the CO2-to-CO Conversion from 2D Silver Nanoprisms via Superstructure Assembly,
Kun Qi, Yang Zhang, Ji Li, Christophe Charmette, Michel Ramonda, Xiaoqiang Cui, Ying Wang, Yupeng Zhang, Huali Wu, Wensen Wang, Xiaolin Zhang, Damien Voiry. ACS Nano 16 avril 2021.

DOI: 10.1021/acsnano.1c01281
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