Un nouveau catalyseur améliore radicalement le taux de conversion du CO₂ en carburants solaires

Le dioxyde de carbone (CO₂₎ peut potentiellement être utilisé comme matière première pour être converti en "combustibles solaires" neutres en carbone qui stockent l'énergie du soleil. Mais pour qu'ils soient compétitifs par rapport aux combustibles fossiles, la réaction chimique qui effectue cette conversion nécessite des catalyseurs beaucoup plus efficaces. Des chercheurs ont récemment mis au point une structure de photocatalyseur impliquant des atomes uniques de cuivre isolés dans un cadre polymère qui améliore radicalement les performances du catalyseur.

Un certain nombre de secteurs, tels que le transport maritime à longue distance et l'aviation, sont difficiles à électrifier. Dans la lutte pour atténuer le changement climatique, il faudra donc développer une forme de carburant neutre en carbone. Dans le même temps, l'énergie solaire peut être à faible teneur en carbone, mais elle est tributaire des conditions météorologiques. Parfois, la production d'électricité est insuffisante, parfois trop importante.

Une solution élégante qui pourrait remédier à ces deux problèmes est la conversion de l'énergie solaire en carburants synthétiques. En aspirant le CO₂ atmosphérique et en l'utilisant comme matière première, combiné à l'hydrogène produit par la division des molécules d'eau, des versions neutres en carbone des hydrocarbures peuvent être produites dans une usine. En fait, cela permet de stocker l'énergie solaire pour l'utiliser plus tard, lorsque le soleil ne brille pas, ou comme un carburant propre qui fonctionne dans des secteurs difficiles à électrifier (et au-delà).

Cependant, l'un des grands défis à relever pour transformer l'énergie solaire en carburant, en imitant la façon dont les plantes transforment la lumière du soleil en énergie, est d'augmenter l'efficacité des réactions chimiques impliquées de façon à rendre le produit final compétitif par rapport aux combustibles fossiles polluants.

La clé pour atteindre de tels rendements est de produire de meilleurs catalyseurs, des substances qui accélèrent la réaction chimique. L'objectif principal a été de maximiser la concentration des sites sur les molécules catalytiques où une réaction peut avoir lieu afin d'améliorer l'efficacité tout en réduisant les déchets.

Depuis une dizaine d'années, la communauté des chercheurs sur les catalyseurs s'intéresse de plus en plus aux catalyseurs à un seul atome (SAC), dans le but de donner un coup de fouet à toutes sortes de processus industriels, et pas seulement à la photocatalyse nécessaire à la conversion du soleil en carburant. Les SAC sont des catalyseurs où tous les atomes métalliques impliqués dans la réaction existent sous forme d'atomes uniques isolés et dispersés sur une structure de support solide. Ces atomes métalliques uniques sont aussi généralement chargés positivement. En raison de cette structure géométrique et électronique inhabituelle, les SAC peuvent améliorer radicalement l'efficacité de la catalyse.

Le domaine de la recherche et du développement des SAC a explosé ces dernières années, en grande partie grâce à l'arrivée de méthodes d'imagerie et de spectroscopie par rayons X avancées. Celles-ci ont permis aux chimistes de produire des images très détaillées des SAC en action - même lorsque la réaction a lieu, ce qui leur permet de mieux comprendre ce qui se passe et de tester de nouvelles hypothèses. Parallèlement, les techniques modernes de synthèse chimique ont permis de construire des SAC très finement adaptés à un processus donné.

"De nombreux SAC différents pour d'autres réactions chimiques ont été mis au point ces dernières années, ce qui a révolutionné les performances catalytiques", a déclaré Jiangwei Zhang, co-auteur de l'article et physicien chimiste au Centre de recherche sur le génie chimique avancé et les matériaux énergétiques de l'Université chinoise du pétrole à Qingdao, "et c'est maintenant au tour des photocatalyseurs pour la production de combustible solaire".

Les chercheurs ont construit un SAC doté d'une structure covalente à base de triazine (CTF) dans laquelle sont ancrés des atomes de cuivre uniques. Les CTF sont une classe relativement nouvelle de polymères (chaînes de très grosses molécules) dont il a déjà été démontré qu'ils améliorent les performances photocatalytiques de séparation de l'eau. En combinant les FCT avec des atomes de cuivre uniques, les chimistes ont cherché à obtenir une structure très poreuse (pour augmenter le nombre de sites disponibles où la réaction chimique pertinente peut avoir lieu) et une efficacité atomique maximale. Ils ont appelé cette formulation Cu-SA/CTF.

Ils ont pu visualiser les atomes de cuivre uniques par des images de microscopie électronique à transmission à balayage à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF-STEM). Et la structure des sites où les réactions ont lieu a été révélée par des analyses de structure fine par absorption de rayons X étendus (EXAFS).

Grâce à ces informations, les chercheurs ont pu tester les performances des photocatalyseurs Cu-SA/CTF et étudier ce qui se passait au niveau atomique. Ils ont constaté que l'ajout d'atomes de cuivre à la structure avait conféré aux catalyseurs une capacité accrue d'adsorption du CO₂ (c'est-à-dire de collage du CO₂ sur lui-même pour effectuer la réaction chimique), et renforcé la réponse à la lumière visible qui dirige le processus, ainsi qu'un certain nombre d'autres améliorations. Tous ces éléments ont permis d'améliorer considérablement la conversion du CO₂ et de l'eau en méthane.

Les chercheurs ont ainsi pu élaborer des lignes directrices pour la conception à l'échelle atomique d'autres photocatalyseurs robustes pour la conversion du CO₂ en d'autres substances utiles.