Les chercheurs de l'Université Doshisha ont développé une méthode électrochimique rentable pour convertir le CO2 en hydrocarbures, atteignant une efficacité sans précédent en optimisant la composition de l'électrolyte et en révélant des mécanismes d'interaction moléculaire cruciaux.
Les chercheurs ont découvert que l’utilisation de liquides ioniques comme électrolytes avec des hydroxydes métalliques améliore la transformation électrochimique du CO2 en hydrocarbures.
Conversion électrochimique du CO2 en carburant et en produits chimiques, alimentés par l’électricité, offre une méthode viable pour réduire les émissions. Cette technique permet de transformer le carbone capturé dans les productions industrielles et dans l'atmosphère en ressources précieuses traditionnellement dérivées des combustibles fossiles.
Pour faire progresser la recherche en cours sur la conversion électrochimique efficace, des scientifiques de l'Université de Doshisha ont introduit une méthode rentable pour produire des hydrocarbures précieux à partir du CO.2. L'étude a été mise en ligne le 17 mai 2024 et sera officiellement publiée dans la revue Acta électrochimique le 20 juillet 2024. L'équipe de recherche, dirigée par le professeur Takuya Goto et comprenant Mme Saya Nozaki de la Graduate School of Science and Engineering et le Dr Yuta Suzuki du Harris Science Research Institute, a produit de l'éthylène et du propane sur un argent basique (Ag ) électrode en utilisant un liquide ionique contenant des hydroxydes métalliques comme électrolyte.
« La plupart des études sur le CO2 L'électrolyse avec électrolyte liquide à température ambiante s'est concentrée sur les propriétés catalytiques de l'électrode. Dans cette étude révolutionnaire, nous nous sommes concentrés sur l’électrolyte et avons réussi à produire des hydrocarbures gazeux précieux même sur une simple électrode métallique », explique le professeur Goto.
Les liquides ioniques offrent des avantages uniques pour la réduction électrochimique du CO2. Ils fonctionnent sur une large plage de tensions sans se décomposer, sont ininflammables et ont des points d'ébullition élevés. Cette stabilité permet à l'électrolyte de résister aux températures élevées générées lors du CO exothermique2 réduction.
Avantages de l'électrolyte DEME-BF4
Dans leur étude, les chercheurs ont étudié la conversion électrochimique du CO2 et de l'eau avec du tétrafluoroborate de N, N-diéthyl-N-méthyl-N-(2-méthoxyéthyl) ammonium (DEME-BF4) comme électrolyte. Le DEME-BF4 l'électrolyte fournit des conditions optimales pour maximiser le CO2 réduction. DEME+ les ions améliorent la solubilité du CO2permettant un plus grand nombre de CO2 molécules pour participer à la réaction. De plus, en raison de sa nature hydrophile, les ions hydrogène nécessaires à la réduction du CO2 aux hydrocarbures peut être facilement apporté en mélangeant l’électrolyte avec de l’eau.
La production d'hydrocarbures se produit grâce à deux intermédiaires formés à la surface de l'électrode d'argent pour produire des hydrocarbures utiles comme l'éthylène, l'éthane, le propylène et le propane. Crédit : Takuya Goto de l'Université Doshisha
Les chercheurs ont déterminé que la conversion électrochimique du CO2 aux hydrocarbures pourrait être augmentée avec l'ajout de solutions aqueuses contenant des hydroxydes métalliques comme l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), l'hydroxyde de sodium (NaOH) et l'hydroxyde de césium (CsOH) à l'électrolyte. Les hydroxydes du liquide ionique peuvent réagir avec le CO2 pour former des bicarbonates (HCO3−) et les carbonates (CO32−), améliorant encore la disponibilité du CO2 participer à des réactions électrochimiques.
Atteindre des efficacités de conversion élevées
Électrolyse à température ambiante (298 K ou 25°C) dans un CO2 atmosphère, les chercheurs ont réussi à réduire le CO2 à l'éthylène (C2H4), éthane (C2H6), le propylène (C3H6), et le propane (C3H8). Ils ont atteint les rendements de courant les plus élevés pour chaque produit en utilisant DEME-BF4 électrolyte mélangé à de l'eau et contenant du Ca(OH)2, avec des rendements atteignant jusqu'à 11,3 % pour le propane et 6,49 % pour l'éthylène. Cette efficacité dépassait de plus de 1 000 fois celle obtenue avec d’autres hydroxydes métalliques.
La raison de cette efficacité élevée a été expliquée à l’aide de calculs de spectroscopie Raman et de théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Ces analyses ont révélé que les ions bicarbonates, formés lorsque le CO2 interagit avec OH– les ions dans l'électrolyte, interagissent avec le DEME+ et copain4– ions de l'électrolyte pour former une structure stable (DEME+-BF4−-HCO3−-Californie2+).
CO2 et HCO3– espèces puis adsorber sur la surface de l'électrode en formant des espèces adsorbées CO− les publicités. Le CO adsorbé– les ions interagissent alors fortement avec Ca2+ ions présents dans l'électrolyte, formant deux structures intermédiaires distinctes : Une structure A, constituée d'un Ca2+ ion coordonné avec deux CO− ions adsorbés sur trois atomes d'Ag, et l'autre Structure B, où le Ca2+ l'ion est coordonné avec deux CO− ions adsorbés sur deux atomes d’Ag. Cette interaction avec Ca2+ Les ions sont cruciaux car ils augmentent la stabilité des espèces adsorbées, rendant possibles les réactions électrochimiques ultérieures.
Parmi ces structures, les chercheurs suggèrent que la structure B est plus stable et constitue la voie privilégiée pour l’éthylène, tandis que la structure A conduit à la production de propane. « Nous avons montré que l'adaptation de l'électrolyte peut entraîner des changements au niveau moléculaire dans la transformation de phase du CO2 en solution globale et à l'interface électrode/électrolyte liquide ionique et a proposé un procédé qui permet la synthèse d'hydrocarbures uniques tels que le C3», déclare le professeur Goto.
Ces résultats mettent en lumière les processus impliqués dans la conversion du CO2 à l'interface entre les électrolytes à base de liquide ionique et les électrodes métalliques, comme le rôle des ions calcium. De telles connaissances peuvent aider au développement d’électrolytes pour la production efficace d’hydrocarbures utiles à partir du CO.2. « Les connaissances physico-chimiques de cette nouvelle voie du CO2 la décomposition en synthèse d'hydrocarbures utiles, comme le révèle cette étude, contribuera à faire progresser le CO2 utilisation de la technologie et contribution au progrès académique en science des matériaux. conclut le professeur Goto.
L'étude a été financée par la Société japonaise pour la promotion de la science et l'Institut japonais du fer et de l'acier.
