Le scientifique des matériaux de Penn Shoji Hall et ses collègues ont découvert que la manipulation de la surface de l'eau peut permettre aux scientifiques de convertir de manière durable le monoxyde de carbone en sources de carburant d'énergie plus élevées comme l'éthylène.
Alors que le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO₂) (CO₂) continuent de s'accumuler dans l'atmosphère de la Terre, d'alimenter le changement climatique et de menacer l'équilibre écologique, les chercheurs recherchent de nouvelles façons de recycler ces produits chimiques en sources et produits plus propres.
Les produits multi-carbone comme l'éthylène (C₂H₄) sont prometteurs de transformer le destin de Carbon en une aubaine. C'est une molécule maintenue ensemble par de fortes liaisons formées par ses atomes de carbone partageant des électrons. Lorsque ces liaisons sont cassées, comme dans la combustion, elles peuvent libérer cette énergie stockée comme chaleur, faisant de ces composés une source de carburant utile. S'ils restent intacts, ils peuvent servir de blocs de construction pour d'innombrables produits manufacturés, de l'emballage aux textiles et aux produits pharmaceutiques.
Mais la chimie derrière Turning Co et Co₂ en produits multi-carbone comme C₂H₄ est notoirement délicat. À tel point, même les métaux populaires comme les catalyseurs en cuivre peuvent souvent produire des sous-produits indésirables ou de l'énergie des déchets dans les réactions secondaires.
Maintenant, les chercheurs dirigés par le scientifique des matériaux de l'Université de Pennsylvanie et ingénieur Anthony Shoji Hall ont découvert un allié improbable dans la lutte pour fabriquer de bons produits à base de carbone à partir des déchets de carbone: la surface de l'eau.
Leurs résultats, publiés dans Chimie de la naturerévèlent qu'en réglant avec précision la concentration d'un sel appelé perchlorate de sodium (naclo₄) dissous dans l'eau, les chercheurs pourraient perturber le réseau de liaisons hydrogène normalement ordonné de molécules d'eau là où le liquide rencontre des métaux comme le cuivre. Il s'agit d'un processus connu sous le nom de catalyzation électrochimique – en utilisant l'électricité, l'eau et les surfaces métalliques pour conduire la conversion du CO en multi-glucides comme C₂H₄.
« Ce » mélange « des molécules d'eau à l'interface – où le liquide rencontre du métal solide – a été éteint pour être l'étincelle manquante pour coudre les atomes de carbone ensemble, une étape qui a longtemps étranglé notre capacité à convertir le CO en éthylène et à d'autres multiparbures », a déclaré Hall, un professeur associé au ministère de la Science des matériaux et de l'ingénierie à l'école d'ingénierie et de sciences appliqués.
Cette structure liée à l'hydrogène peut être comparée à une araignée microscopique, qui une fois perturbée, devient désordonnée, et qui, il s'avère, facilite les atomes de carbone de se joindre et de former des produits plus grands comme l'éthylène.
« Ce qui m'excite le plus, c'est la simplicité », dit-il. « Si quelque chose d'aussi familier que l'eau liquide peut être subtilement ajusté pour favoriser ces réactions, nous pouvons commencer à recycler les gaz à problèmes comme le CO et le CO₂ en carburants précieux ou produits chimiques industriels sans compter sur des solvants exotiques ou coûteux. »
Pour tester leur hypothèse, le laboratoire de Hall a effectué des réactions électrochimiques sur des électrodes enrobées de cuivre, qui sont des surfaces métalliques qui transportent le courant électrique dans l'environnement expérimental. Ils les ont submergés dans la solution d'eau salée contenant co.
Peu à peu, ils ont augmenté la quantité de naclo₄ dans l'eau, ce qui leur permet de mesurer l'efficacité de la convertie de CO en divers produits tels que de l'éthylène, ainsi que la vitesse à laquelle les réactions se sont produites comme la solution salée à base d'eau – ou électrolyte – se sont plus concentrées dans Naclo₄.
Pendant ce temps, l'auteur de co-correspondant David Raceti du National Institute of Standards and Technology (NIST) a utilisé une forme spécialisée d'analyse d'échantillons chimiques basée sur la lumière pour zoomer sur la couche d'eau juste à la surface du métal, permettant une surveillance en temps réel à mesure que les niveaux de naclo₄ augmentaient.
À mesure que la concentration de naclo₄ augmentait de 0,01 à 10 molales, l'efficacité faradaïque du système – une mesure du nombre de particules chargées négativement (électrons) va à la fabrication des produits souhaités – sauté de 19% à 91%. L'hydrogène gazeux, un sous-produit indésirable, a presque disparu. Et l'éthylène est devenu le premier cycle du premier chef de file, sa production augmentant dix-huit ans.
Pour voir si les atomes d'hydrogène chargés positivement, ou protons, jouaient un rôle dans la conduite de la vitesse de réaction au lieu des résultats de l'entropie qu'ils s'attendaient, les chercheurs ont échangé de l'eau régulière contre de l'eau lourde (oxyde de deutérium ou d₂o), ce qui ralentit le transfert de protons pendant les réactions électrochimiques.
En règle générale, dans de telles réactions électrochimiques, les protons «navettent» de l'eau aux molécules liées à la surface, aidant à compléter les liaisons et à former des produits. Mais les chercheurs ont constaté que la réaction avait été à peine modifiée par le mouvement des protons mais plutôt par l'entropie, ou le trouble croissant parmi les molécules d'eau à l'interface qui, en quelque sorte, facilitaient les atomes de carbone.
« Dans la plupart des études d'électrocatalyse, nous nous concentrons sur l'énergie d'activation – l'idée que l'abaissement de la barrière d'énergie rend plus rapidement une réaction », explique Hall. « Mais ici, c'est l'entropie qui stimule la réaction. C'est inhabituel, et cela ouvre une nouvelle façon de penser comment contrôler la chimie de surface. »
Au-delà d'être une réalisation technique, les implications sont variées, car l'eau est un composant universel dans les systèmes électrochimiques allant de la conversion de CO₂ en conception de la batterie. Leur travail suggère que les ingénieurs peuvent être en mesure de déterminer la structure interfaciale de l'eau – où l'eau rencontre une surface – pour coaxicer de meilleures performances à partir d'un large éventail de réactions.
« L'électrochimie est pleine de leviers cachés », explique Hall. « Et nous pensons que la structure de l'eau interfaciale est l'une des plus grandes. Avec les bons outils, nous pouvons arrêter de traiter l'eau comme un simple solvant et commencer à l'utiliser comme co-concepteur de l'environnement de réaction. »
À l'avenir, Hall's Lab espère appliquer cette stratégie à des réactions plus complexes, telles que le couplage des sources de carbone à l'azote pour produire des précurseurs d'engrais. Plus largement, le laboratoire Hall explore comment les interfaces peuvent être conçues pour guider les transformations chimiques avec une précision chirurgicale.
