Ils disent qu’il vaut mieux avoir eu quelque chose de spécial et l’avoir perdu que de ne jamais l’avoir jamais eu. Qui aurait pensé que ce sentiment était vrai pour les catalyseurs à oxyde métallique? Selon des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de Caltech, le cuivre qui était autrefois lié à l’oxygène est meilleur pour convertir le dioxyde de carbone en carburants renouvelables que le cuivre qui n’a jamais été lié à l’oxygène.

Pour leur étude, maintenant publiée dans la revue ACS Catalysis, les scientifiques ont réalisé une spectroscopie aux rayons X sur des prototypes de générateurs de carburant solaire afin de démontrer que les catalyseurs à base d’oxyde de cuivre sont supérieurs aux catalyseurs d’origine purement métallique lorsqu’il s’agit de produire de l’éthylène, un deux – gaz carbonique avec une vaste gamme d’applications industrielles – même s’il n’y a plus d’atomes d’oxygène détectables dans le catalyseur.

«De nombreux chercheurs ont montré que les catalyseurs au cuivre dérivés d’oxyde sont plus efficaces pour fabriquer des produits combustibles à partir de CO2; cependant, il y a un débat sur la raison pour laquelle cela se produit », a déclaré Walter Drisdell, co-leader de la recherche, chimiste du laboratoire de Berkeley et membre du Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP). La mission de JCAP est de développer des technologies solaires efficaces capables de convertir le CO2 atmosphérique en carburants alternatifs pétroliers. Drisdell et ses collègues disent que leur découverte est une avancée importante vers cet objectif.

Il a expliqué que dans les conditions de fonctionnement pour la production de carburant – qui consiste d’abord à convertir le CO2 en monoxyde de carbone puis à construire des chaînes d’hydrocarbures – l’oxygène lié au cuivre est naturellement appauvri dans le catalyseur. Cependant, certains chercheurs pensent que de petites quantités d’oxygène restent dans la structure métallique et que c’est la source de l’augmentation de l’efficacité.

Pour résoudre le débat, l’équipe a introduit un système de chromatographie en phase gazeuse (GC) sur la ligne de rayons X afin de détecter la production d’éthylène en temps réel. «Nos collaborateurs de Caltech ont conduit le GC depuis Pasadena et l’ont installé dans les installations de radiographie de Palo Alto», a déclaré Soo Hong Lee, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et co-auteur principal de l’étude. «Avec lui, nous avons montré qu’il n’y avait pas de corrélation entre la quantité d’oxygène (‘oxyde’) dans le catalyseur et la quantité d’éthylène produit. Ainsi, nous pensons que les catalyseurs dérivés d’oxydes sont bons, non pas parce qu’il reste de l’oxygène tout en réduisant le monoxyde de carbone, mais parce que le processus d’élimination de l’oxygène crée une structure de cuivre métallique qui est meilleure pour former de l’éthylène.

L’équipe a en outre montré que, bien que l’efficacité des catalyseurs dérivés d’oxydes diminue avec le temps, ils peuvent être régulièrement «réactivés» en ajoutant et en supprimant de nouveau l’oxygène au cours d’un simple processus de maintenance. Leur prochaine étape consiste à concevoir une cellule génératrice de carburant qui peut fonctionner avec des instruments de diffusion des rayons X, leur permettant de cartographier directement la structure changeante du catalyseur pendant qu’il convertit le monoxyde de carbone en éthylène.

Référence
Soo Hong Lee, Ian Sullivan, David M. Larson, Guiji Liu, Francesca M. Toma, Chengxiang Xiang, Walter S. Drisdell. Corrélation de l’état d’oxydation et de la surface à l’activité à partir des études Operando des catalyseurs d’électro-réduction de CO cuivre dans un dispositif alimenté en gaz. ACS Catalyse, 2020; 10 (14): 8000 DOI: 10.1021 / acscatal.0c01670

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