Un électro-catalyseur tandem à base d'étain pour la synthèse d'éthanol par réduction du CO₂.

25 novembre 2023 Fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

La réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2) en divers produits multicarbonés est très souhaitable, car cela pourrait aider à produire facilement des produits chimiques utiles pour une large gamme d'applications. La plupart des catalyseurs existants pour faciliter la réduction du CO2 sont basés sur le cuivre (Cu), mais les processus sous-jacents à leur action restent mal compris.

Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences, de l'Université de Hong Kong et d'autres instituts en Chine ont récemment entrepris de concevoir des catalyseurs électrochimiques sans Cu plus efficaces pour la réduction du CO2. Leur article, publié dans Nature Energy, présente un nouveau catalyseur à base d'étain (Sn), qui a permis de réduire le CO2 en éthanol (CH3CH2OH) avec une sélectivité de 80%.

"La découverte du couplage C-C sur le catalyseur Sn1-O3G n'était pas accidentelle, mais s'est plutôt appuyée sur nos travaux précédents sur la compréhension du comportement CO2RR des catalyseurs monoatomiques de métaux de transition", a déclaré le professeur Bin Liu, co-auteur de l'article, à Tech Xplore.

"Plus précisément, nous avons mené des expériences préliminaires impliquant des caractérisations structurelles et électrochimiques de divers catalyseurs Sn-based CO2RR, y compris des nanoparticules de Sn métallique, des nanofeuilles de SnS2, du SnS2 sur du graphène dopé à l'azote, des atomes uniques de Sn sur du graphène dopé à l'azote (Sn-4N) et des atomes uniques de Sn sur du graphène riche en oxygène (Sn1-O3G)".

Dans leurs expériences préliminaires, les chercheurs ont découvert que les catalyseurs Sn1-4N et Sn1-O3G pouvaient réduire le CO2 en CO avec KHCO3, en tant que donneur de protons dans une solution CO2RR. Cependant, ces catalyseurs ont présenté un comportement différent en présence de formiate acide, seul le Sn1-O3G produisant finalement de l'éthanol.

"Ces observations nous ont amenés à croire que la différence dans la CO2RR entre les catalyseurs Sn1-4N et Sn1-3OG pourrait résulter des environnements de coordination différents de Sn", a déclaré le professeur Liu. "Par la suite, nous avons concentré nos efforts sur la compréhension du mécanisme de couplage C-C sur les sites catalytiques de Sn coordonné à l'oxygène et avons construit un catalyseur tandem pour réaliser une CO2RR sélective vers l'éthanol".

Le professeur Liu et ses collègues ont fabriqué leur nouvel électro-catalyseur à base de Sn en provoquant une réaction solvothermale entre SnBr2 et la thiourée sur une mousse de carbone tridimensionnelle (3D). Ils ont ensuite examiné leur catalyseur pour en caractériser la structure.

Leurs examens suggèrent que leur catalyseur est composé de nanofeuilles de SnS2 et d'atomes de Sn dispersés de manière atomique. Ces composants sont coordonnés sur le carbone riche en oxygène en 3D en se liant à trois atomes d'oxygène (Sn1-O3G).

"Les performances électrochimiques du catalyseur SnS2/Sn1-O3G pour la CO2RR ont été évaluées à l'aide de chronoampérométrie dans une cellule de type H contenant 0,5 M de KHCO3 saturée de CO2", a déclaré le professeur Liu. "Notre catalyseur peut produire de manière reproductible de l'éthanol avec une efficacité fardaique (FE) allant jusqu'à 82,5 % à -0,9 VRHE et à une densité de courant géométrique de 17,8 mA cm-2. De plus, la FE pour la production d'éthanol peut être maintenue au-dessus de 70% sur la plage de potentiel de -0,6 à -1,1 VRHE".

Lors des évaluations initiales, le catalyseur développé par les chercheurs a donné des résultats très prometteurs, produisant avec succès de l'éthanol à partir d'une solution CO2RR avec une haute sélectivité. De plus, on a constaté que le catalyseur était stable, maintenant 97% de son activité initiale après 100 heures d'opération.

"Les centres actifs doubles d'atomes de Sn et d'O dans Sn1-O3G servent à adsorber différents intermédiaires à base de carbone, ce qui abaisse efficacement l'énergie de couplage C-C entre *CO(OH) et *CHO", explique le professeur Liu. "Notre catalyseur tandem permet une voie de couplage formyle-bicarbonate, qui offre non seulement une plateforme pour la formation de liaisons C-C lors de la synthèse de l'éthanol et surmonte les restrictions des catalyseurs à base de Cu, mais offre également une stratégie pour la manipulation des voies de réduction du CO2 vers des produits désirés".

Le travail récent de cette équipe de chercheurs présente un catalyseur alternatif sans Cu pour provoquer la formation de liaisons C-C et permettre la réduction du CO2 en éthanol. À l'avenir, leur approche proposée pourrait être utilisée pour produire de l'éthanol de manière plus fiable et pourrait éventuellement être appliquée à la synthèse d'autres produits chimiques désirés via la réaction de réduction du CO2.

'The search for more efficient catalysts with dual active sites should be pursued through high-throughput experiments and theoretical calculations,' Prof. Liu added. 'The rate and selectivity of a catalytic reaction are also closely related to the coverage of reaction intermediates on the catalyst's surface.

'Therefore, an in-depth study of factors that affect the residence time of intermediates, such as the pore structure of the support for the Sn1-O3G dual-active sites, would help to deepen understanding of the C-C coupling process. We envisage that tandem catalysis based on the concept of dual-active sites could be extendable to C-X (X = N or S) coupling to prepare other chemicals, such as urea and alanine.'

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