Des chercheurs de l'Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Université de Tohoku, ont introduit une nouvelle approche pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO₂). En concevant les structures multicouches de cobalt phtalocyanine (COPC) / carbone, l'équipe a démontré une architecture de catalyseur qui rend la conversion de CO₂ en monoxyde de carbone (CO) à la fois stable et efficace.
La recherche est publiée dans la revue Catalyse appliquée B: environnement et énergie.
L'étude a combiné l'analyse des données à grande échelle et l'intelligence artificielle (IA) pour filtrer 220 candidats moléculaires. La phtalocyanine de cobalt – mal connu sous le nom de pigment bleu – a émergé comme l'option la plus efficace pour la production sélective de CO. Cette découverte est devenue la base de la construction d'électrodes optimisées pour l'utilisation de la co₂.
« Nous voulions aller au-delà de la pensée conventionnelle que les molécules isolées fonctionnent le mieux », a déclaré Hiroshi Yabu, professeur au (WPI-AIMR) qui a dirigé la recherche. « Au lieu de cela, nos résultats montrent que l'empilement de ces molécules dans les couches ordonnées produit un effet catalytique beaucoup plus fort. »
L'équipe a créé une conception hybride dans laquelle COPC forme des couches cristallines autour des particules de carbone conductrices. Ce catalyseur à noyau multicouche a montré une densité de courant élevée et maintenu la co-sélectivité au-dessus de 90% pour un fonctionnement prolongé, même dans des conditions électrochimiques exigeantes.
Un aperçu central de l'étude est que les performances améliorées proviennent de la disposition multicouche plutôt que des molécules individuelles. Des expériences ont révélé que l'empilement ordonné favorise le transfert de charge à la surface du catalyseur, tandis que les calculs théoriques ont confirmé que cet effet électronique augmente considérablement l'activité catalytique.
« Ce projet montre comment la combinaison de la sélection des matériaux basée sur les données avec la conception à l'échelle nanométrique peut révéler de nouvelles directions pour le recyclage du CO₂ », a ajouté Yabu. « La capacité de prédire et de tester systématiquement les structures nous aidera à évoluer plus rapidement vers des applications pratiques. »
Les résultats suggèrent que les architectures moléculaires multicouches peuvent offrir une voie à des catalyseurs plus efficaces, non seulement pour la conversion de Co₂-to-Co mais également pour d'autres réactions centrales à la production d'énergie propre.
Les chercheurs prévoient désormais de tester le système dans des conditions industrielles et d'explorer si des conceptions similaires peuvent améliorer la production d'hydrogène ou d'ammoniac.
En démontrant comment un matériau familier – une fois principalement utilisé comme pigment – peut être réinventé pour les technologies durables, l'œuvre souligne le rôle de la conception créative du catalyseur dans l'avancement du recyclage du carbone.
L'étude marque une étape vers des systèmes pratiques qui peuvent aider à réduire les émissions de COT tout en produisant des carburants et des produits chimiques utiles.
