Une étude menée par l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a développé des catalyseurs de nanoparticules β-Mo2C sur un support SiO2 pour améliorer la conversion du CO2 en CO. Ce nouveau catalyseur, plus rentable que les catalyseurs traditionnels en métaux précieux, a démontré une activité catalytique considérablement accrue et stabilité, marquant une avancée prometteuse dans les stratégies de réduction des émissions de CO2.
Dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre, joue un rôle important dans le changement climatique en s'accumulant dans l'atmosphère. Pour atténuer son impact, transformer le CO2 en produits carbonés bénéfiques est une stratégie viable. Une étude récente a exploré cette approche en utilisant des nanoparticules de carbure de molybdène en phase bêta (β-Mo2C) comme catalyseurs, ancrées sur du dioxyde de silicium (SiO2) les soutiens. Cette méthode accélère la conversion du CO2 en monoxyde de carbone (CO), un gaz précieux qui peut être utilisé pour produire d’autres composés importants.
CO2 est une molécule très stable, ce qui rend difficile la conversion du gaz à effet de serre en d’autres molécules. Les catalyseurs peuvent être utilisés dans des réactions chimiques pour réduire la quantité d'énergie nécessaire pour former ou rompre des liaisons chimiques et sont utilisés dans la réaction de conversion inverse de l'eau et du gaz (RWGS) pour convertir le CO.2 et de l'hydrogène gazeux (H2) en CO et en eau (H2O). Il est important de noter que le gaz CO produit par la réaction est appelé gaz de synthèse, ou gaz de synthèse, lorsqu'il est combiné avec H.2 et peut être utilisé comme source de carbone pour créer d’autres composés importants.
Avancées dans la technologie des catalyseurs
Les catalyseurs traditionnels de la réaction RWGS sont fabriqués à partir de métaux précieux, notamment le platine (Pt), le palladium (Pd) et l'or (Au), limitant le rapport coût-efficacité de la réaction. Pour cette raison, de nouveaux matériaux catalytiques et méthodes de formation sont développés pour augmenter le caractère pratique de la réaction RWGS comme moyen de réduire le CO atmosphérique.2 et générer du gaz de synthèse.
Afin de résoudre les problèmes de coût des catalyseurs RWGS traditionnels, une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a étudié la formation et l'activité catalytique de nanoparticules β-Mo moins chères.2Catalyseurs C sur un SiO2 soutien pour déterminer si le catalyseur moins coûteux pourrait améliorer les niveaux d’activité du β-Mo2C avec un support d'oxyde de silice dans la réaction RWGS.
L'image de gauche représente des nanoparticules de β-Mo2C supportées sur SiO2 (β-Mo2C/SiO2). Le graphique de droite représente l'activité catalytique accrue du β-Mo2C/SiO2 dans le taux de production de CO dans la réaction RWGS par rapport au β-Mo2C en vrac, représenté par la barre noire. Chaque barre représente un pourcentage différent du poids de chargement de Mo2C en fonction de la masse du support SiO2. L'activité catalytique pour ces données a été mesurée à 400°C. Crédit : Carbon Future, Tsinghua University Press
L'équipe a publié son étude dans L'avenir du carbone le 30 avril.
« La société évolue vers une économie neutre en carbone. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, c'est pourquoi toute technologie capable de briser la liaison oxyde de carbone dans cette molécule et de transformer le carbone en un produit chimique à valeur ajoutée pourrait être d'un grand intérêt. Un produit chimique C1 important est le monoxyde de carbone, qui est une matière première essentielle pour produire une gamme de produits, tels que les carburants synthétiques et la vitamine A », a déclaré Hong Yang, professeur à la chaire Alkire au Département de génie chimique et biomoléculaire de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et auteur principal de l'article.
Structure et efficacité du catalyseur
Plus précisément, les chercheurs ont synthétisé du β-Mo2Catalyseurs de nanoparticules C absorbés sur un SiO2 support (β-Mo2C/SiO2). La structure amorphe du SiO2 le support était essentiel pour la formation, l'activité et la stabilité des nanoparticules du β-Mo2C/SiO2 catalyseur. L'équipe a également testé les oxydes de césium (Ce), de magnésium (Mg), de titane (Ti) et d'aluminium (Al) comme supports potentiels, mais le catalyseur sur SiO2 produit la meilleure formation de catalyseur à la température de 650°C.
« Il semble que la nature désordonnée de la silice amorphe, qui se comporte comme de la colle pour les nanoparticules de catalyseur, soit un facteur clé de notre réussite dans l'obtention d'une charge élevée en métaux et d'une activité élevée correspondante », a déclaré Siying Yu, étudiant diplômé au Département de chimie et de technologie. Génie biomoléculaire à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l'article.
Surtout, le SiO2 la structure de support du catalyseur améliore l'activité catalytique du β-Mo2C 8 fois supérieur à celui du β-Mo en vrac2C. Même avec une activité catalytique améliorée, le β-Mo2C/SiO2 le catalyseur a démontré une conversion élevée du CO et une stabilité accrue par rapport au β-Mo en vrac2C dans les réactions RWGS.
« Une découverte majeure de nos travaux est un nouveau procédé de production de catalyseurs à forte charge métallique à base de nanoparticules de carbure de molybdène. De tels catalyseurs de carbure métallique sont développés pour convertir le dioxyde de carbone en oxyde de carbone à un taux de production et une sélectivité élevés », a déclaré Andrew Kuhn, ancien étudiant diplômé au Département de génie chimique et biomoléculaire de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et premier auteur de l'étude. papier.
Les chercheurs ont réalisé leur étude dans des conditions de réaction favorisant la conversion en gaz CO, avec un H2:CO2 rapport égal à 1:1. Ce rapport diffère du rapport le plus couramment testé, inférieur à 3:1. Les réactions ont également été réalisées à des températures comprises entre 300 et 600°C. Dans ces conditions, l’équipe a produit du CO plus concentré, plus efficace pour la synthèse de composés en aval.
L’équipe considère cette recherche comme un point de départ pour d’autres catalyseurs qui exploitent les structures de soutien pour accroître l’activité. «Notre capacité à synthétiser des nanomatériaux de carbure métallique en phase pure à charge élevée ouvre la porte au développement de nouveaux catalyseurs pour le processus de CO2 utilisation », a déclaré Yang. « J’espère que grâce à une étude approfondie de la relation synthèse-structure-propriété de ce catalyseur, nous pourrons bientôt découvrir de nouvelles applications importantes pour la conversion à valeur ajoutée du CO.2 et le développement durable de notre économie.
Parmi les autres contributeurs figurent Rachel Park, Di Gao et Cheng Zhang du Département de génie chimique et biomoléculaire de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign à Urbana, Illinois ; et Yuanhui Zhang du Département de génie agricole et biologique de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Cette recherche a été soutenue par le fonds de démarrage Urbana-Champaign de l’Université de l’Illinois.
