Le nano-argent comme électrocatalyseur pour la réduction du CO₂
Une cellule d'électrolyse produit simultanément du CO, de l'hydrogène et de l'acide formique
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Grâce à l'électrolyse, le CO₂ peut être réduit en CO, une matière première servant à la fabrication d'autres produits chimiques tels que des carburants. Dans le cadre du projet GreenQuest, une équipe internationale dirigée par Prashanth Menezes, chimiste au HZB, a mené des recherches systématiques sur des couches catalytiques composées de nanoparticules d'argent, en faisant varier à la fois la taille des particules et leur densité. Le meilleur rendement a été obtenu avec des nanoparticules d’un diamètre d’environ 10 nm, réparties de manière clairsemée. De plus, les chercheurs ont démontré comment améliorer la rentabilité de la cellule électrochimique en intégrant une réaction chimique supplémentaire au niveau de l’anode, ce qui permet la production simultanée d’acide formique, d’hydrogène et de CO dans un même dispositif.
Les nanoparticules d'argent d'un diamètre d'environ 10 nm offrent les meilleures performances en tant qu'électrocatalyseurs. Les particules d'argent sont pulvérisées sur l'électrode avec une poudre de carbone conductrice. Le mélange idéal se compose de 20 % en masse d'argent et de 80 % en masse de poudre de carbone. Cette image a été prise à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET).
© HZB
Le CO₂, gaz à effet de serre, peut être réduit par voie électrolytique en monoxyde de carbone (CO) à l’aide d’énergie électrique. Au cours des étapes suivantes, le CO et le H₂ générés par des processus électrochimiques forment du gaz de synthèse, qui est ensuite converti en DME puis transformé par voie catalytique en gaz de décharge vert (LFG), composé principalement de propane (C₃H₈) et de butane (C₄H₁₀). À condition que l’énergie électrique nécessaire à l’électrolyse soit produite à partir de l’énergie solaire ou éolienne, cette technologie peut être considérée comme neutre en carbone, puisque le CO₂ est, pour ainsi dire, recyclé. Des équipes du HZB collaborent avec des institutions partenaires en Afrique du Sud sur cette technologie dans le cadre du projet GreenQUEST. Leur objectif est de développer un combustible de cuisson « vert » (gLFG) abordable et durable, comme alternative plus propre à la cuisson traditionnelle à base de biomasse, en particulier dans les régions rurales d’Afrique du Sud où le bois de chauffage reste une source d’énergie domestique importante.
Une équipe dirigée par le Dr Prashanth Menezes au HZB a désormais mis au point une méthode permettant d’améliorer l’efficacité et la rentabilité de la réduction électrolytique du CO₂ en CO. Elle a étudié de manière systématique des couches catalytiques composées de nanoparticules d’argent, en faisant varier à la fois la taille des particules et leur densité sur un matériau à base de poudre de carbone recouvrant l’électrode de carbone.
« Nous savions déjà que des nanoparticules trop petites favorisent le dégagement d’hydrogène, ce qui réduit le rendement en monoxyde de carbone. À l’inverse, des nanoparticules trop grosses sont moins actives sur le plan catalytique. Nous voulions déterminer le point optimal exact », explique le Dr Niklas Hausmann, coauteur de l’étude. Leurs travaux montrent que le meilleur rendement a été obtenu avec des nanoparticules d’un diamètre d’environ 10 nm, réparties de manière clairsemée sur le matériau de carbone (0,2 mg par centimètre carré d’électrode).
Une deuxième étape a permis une nouvelle amélioration : tandis que le dioxyde de carbone est réduit en monoxyde de carbone à la cathode, une réaction de dégagement d’oxygène se produit normalement à l’anode. Cette réaction de dégagement d’oxygène consomme beaucoup d’énergie, qui doit être fournie par l’électricité, et ne produit que de l’oxygène, qui n’a aucune valeur économique. L’équipe a désormais démontré qu’en ajoutant des aldéhydes à l’électrolyte, la réaction d’évolution d’oxygène peut être remplacée par une réaction d’oxydation des aldéhydes. Cela réduit la consommation d’énergie de l’ensemble du processus de plus de 30 %. De plus, au lieu de l’oxygène, on obtient de l’hydrogène gazeux utile et des acides carboxyliques précieux tels que l’acide formique.
Le catalyseur optimisé à base de nanoparticules d’argent a présenté un rendement faradaïque de près de 100 % pour le CO sur une durée remarquablement longue de 100 heures. Des analyses par spectroscopie photoélectronique à rayons X ont confirmé que la structure électronique et chimique des particules d’argent actives reste largement stable pendant le fonctionnement.
« Si nous combinons la production de CO avec la production d’hydrogène et la formation simultanée d’autres produits chimiques à valeur ajoutée tels que l’acide formique, nous pouvons améliorer la valeur globale du processus électrochimique. Le CO et l’hydrogène peuvent servir de composants de base pour la production ultérieure de carburants et de produits chimiques durables », explique Menezes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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