De nouvelles recherches ont révélé les mécanismes fondamentaux qui limitent les performances des catalyseurs en cuivre – des composants critiques dans la photosynthèse artificielle qui transforment le dioxyde de carbone et l'eau en combustibles et produits chimiques précieux.
Dans une étude co-dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du SLAC National Accelerator Laboratory, les chercheurs ont utilisé des techniques de rayons X sophistiquées pour observer directement comment les nanoparticules de cuivre changent pendant le processus catalytique.
En appliquant la diffusion des rayons X à petit angle (SAXS) – une technique traditionnellement utilisée pour étudier les matériaux doux comme les polymères – à ce système de catalyseur, l'équipe a acquis des informations sans précédent sur la dégradation du catalyseur qui a intrigué les scientifiques depuis des décennies.
Le travail fait partie de la Liquid Sunlight Alliance (Lisa) Doe Energy Innovation Hub. Dirigée par Caltech en partenariat étroit avec Berkeley Lab, Lisa rassemble plus de 100 scientifiques des partenaires de laboratoire national de SLAC et du National Renewable Energy Laboratory, et des partenaires universitaires de UC Irvine, UC San Diego et de l'Université de l'Oregon.
Lancé en 2020, cette collaboration multi-institutionnelle développe les principes scientifiques nécessaires pour générer efficacement et sélectivement les carburants liquides à partir du soleil, de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'azote.
Le CO2 réaction de réduction électrochimique (CO2RR) Le processus a intrigué les scientifiques depuis des décennies comme un moyen prometteur de fabriquer du carburant et d'autres composés importants. Une grande percée dans les années 1980 a identifié le cuivre comme un catalyseur très performant pour la transformation du CO2 et l'eau en ingrédients de démarrage pour les carburants liquides et les produits chimiques comme l'éthylène et l'éthanol.
Des études ultérieures ont montré que le cuivre contient des sites actifs où l'électrocatalyse a lieu: les électrons de la surface du cuivre interagissent avec le dioxyde de carbone et l'eau dans une séquence d'étapes qui les transforment en produits comme le carburant d'éthanol et l'éthylène pour les plastiques. Les chercheurs étudient les moyens de régler ces sites actifs pour produire sélectivement des produits chimiques spécifiques, notamment l'éthanol, l'éthylène et le propanol.
Mais les propriétés super catalytiques du cuivre se dégradent rapidement pendant le CO2RR, diminuant ses performances au fil du temps. Au fil des ans, les chercheurs ont cherché des moyens d'empêcher cette perte de performance, mais les processus chimiques et physiques qui contrôlent cette dégradation n'étaient pas clairs.
Avec l'étude des chercheurs du laboratoire de Berkeley et des chercheurs SLA Journal de l'American Chemical Society– Ces processus sont moins mystérieux grâce à une application innovante des techniques de diffusion et d'imagerie qui ont permis aux chercheurs d'identifier et d'observer deux mécanismes concurrents qui poussent les nanoparticules de cuivre au bord de la dégradation dans un CO2Catalyseur RR: migration et coalescence des particules (PMC), dans lesquelles des particules plus petites se combinent en plus grandes, et la maturation d'Ostwald, où des particules plus grandes se développent au détriment de particules plus petites.
« Notre approche nous a permis d'explorer comment la distribution de la taille à l'échelle nanométrique évolue en fonction des conditions de fonctionnement, et d'identifier deux mécanismes différents que nous pouvons ensuite utiliser pour guider nos efforts pour stabiliser ces systèmes et les protéger contre la dégradation », a déclaré Walter Drisdell, un auteur de co-correspondant dans le document qui est également un chercheur d'état-major de la division des sciences chimiques de Berkeley Lab.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé une technique appelée diffusion de rayons X à petit angle (SAXS) au Radiation Synchrotron de Stanford Lightource (SSRL) à SLAC pour suivre les distributions de taille et de forme de nanoparticules de cuivre à 7 nanomètres de forme uniformément sous diverses tensions électriques.
Lors de l'exécution du CO2Réaction RR Pendant une heure, les chercheurs ont constaté que le processus PMC domine dans les 12 premières minutes, puis après cela, la maturation d'Ostwald prend le relais. Dans le cadre du mécanisme PMC, les nanoparticules migrent et fusionnent dans des grappes. Lorsque le processus de maturation d'Ostwald prend le dessus, des nanoparticules plus petites se dissolvent et redéposent sur des nanoparticules plus grandes, le même processus qui peut créer des cristaux d'eau croquants dans la crème glacée.
D'autres analyses dans la présente étude ont montré que les tensions plus faibles, où les réactions sont plus lentes, déclenchent la migration et l'agglomération du processus PMC – et des tensions plus importantes accélèrent les réactions, augmentant le processus de dissolution et de redéposition de la maturation d'Ostwald.
Des mesures de spectroscopie d'absorption des rayons X in situ in situ (XAS) à la SSRL montrent que les nanoparticules d'oxyde de cuivre se réduisent en métal cuivre avant le début de la restructuration, et l'imagerie post-mortem a confirmé que les nanoparticules avaient migré et formé de grands agglomérats. L'imagerie a été réalisée en utilisant des techniques avancées de microscopie électronique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab.
« Ces résultats suggèrent diverses stratégies d'atténuation pour protéger les catalyseurs en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées, telles que des matériaux de soutien améliorés pour limiter le PMC, ou les stratégies d'alliage et les revêtements physiques pour ralentir la dissolution et réduire la maturation d'Ostwald », a déclaré Drisdell.
Dans les études futures, Drisdell et Team prévoient de tester différents schémas de protection et de continuer à travailler avec leurs collègues Lisa de Caltech pour concevoir des revêtements catalytiques avec des molécules organiques, et tester la capacité de ces revêtements à diriger le CO2Réactions RR dans la production de carburants et de produits chimiques spécifiques.
