Des chercheurs fabriquent des catalyseurs cobalt-cuivre pour le méthane sur des structures métallo-organiques


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Un alliage Co-Cu dispersé atomiquement préparé par reconstruction in situ de la charpente métal-organique Cu dopée avec des traces de Co est utilisé comme catalyseur pour le CO électrochimique2 réduction. Les dopants Co dans Cu favorisent la protonation *CO par rapport au couplage CC grâce à une adsorption améliorée *H et une couverture réduite *CO, favorisant ainsi la sélectivité du méthane. Crédit photo : Yang Peng (Université Soochow)

Le monde dépend fortement des combustibles fossiles pour alimenter son industrie et ses transports. Ces combustibles fossiles entraînent des émissions excessives de dioxyde de carbone qui contribuent au réchauffement climatique et à l’acidification des océans. Une façon de réduire ces émissions excessives et polluantes de dioxyde de carbone consiste à électroréduire le dioxyde de carbone en carburants ou produits chimiques à valeur ajoutée en utilisant des énergies renouvelables. L’idée de générer du méthane avec cette a suscité beaucoup d’intérêt. Cependant, les chercheurs ont eu un succès limité dans le développement de catalyseurs efficaces pour le méthane.

Une équipe de recherche de l’Université de Soochow a maintenant développé une stratégie simple pour produire des catalyseurs en alliage cobalt-cuivre qui offrent une excellente activité du méthane et une sélectivité dans la réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone. Ses recherches sont publiées dans nanorecherche.

Au cours des 10 dernières années, les scientifiques ont fait des progrès remarquables dans l’élargissement de leur compréhension des catalyseurs et l’application de ces connaissances à leur fabrication. Cependant, les catalyseurs développés n’étaient pas satisfaisants en termes de sélectivité ou de densité de courant pour une utilisation avec le méthane. Malgré les grandes connaissances acquises par les scientifiques, les stratégies qu’ils ont essayées pour fabriquer des catalyseurs pour le méthane sont tout simplement trop coûteuses pour être utiles dans des applications pratiques.

L’équipe de l’Université de Soochow a recherché des cadres métallo-organiques pour surmonter les défis précédents dans la construction de catalyseurs pour le méthane. « Les cadres métallo-organiques ont été perçus comme une catégorie unique de catalyseurs pour les réactions électrochimiques de réduction du dioxyde de carbone car ils fournissent une plate-forme accordable pour modifier systématiquement la coordination du site métallique, réguler la couche de Helmholtz et contrôler la liaison des intermédiaires,  » a déclaré le professeur Yang Peng, Institut Soochow des innovations énergétiques et matérielles, Collège de l’énergie, Université Soochow. La couche Helmholtz fait référence à la limite ou à l’interface qui se produit là où un conducteur électronique entre en contact avec un conducteur ionique.

Cependant, la stabilité des charpentes organométalliques au cours du processus d’électrolyse reste un problème limitant. Par conséquent, les cadres organométalliques sont souvent utilisés comme précurseurs structuraux pour dériver des ensembles de catalyseurs plus robustes après la reconstruction. Dans leurs recherches, l’équipe a tiré parti des centres métalliques répartis de manière homogène de la charpente métallo-organique. Ils ont obtenu des alliages cobalt-cuivre réduits électrochimiquement qui offrent une excellente activité du méthane et une sélectivité dans la réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone. L’équipe a utilisé la spectroscopie d’adsorption de rayons X in situ et la spectroscopie infrarouge à réflectance totale atténuée améliorée en surface pour développer sa stratégie.

L’étude de l’équipe fournit non seulement une stratégie utile pour la construction de catalyseurs électrocatalytiques de réduction du dioxyde de carbone par la reconstruction électrochimique de cadres organométalliques bimétalliques, mais fournit également des informations importantes sur le contrôle des voies de réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone sur le cuivre par le dopage atomique des métaux de transition 3D. Ces métaux de transition 3D sont les éléments qui descendent dans le tableau périodique 22au revoir 29Cu (titane à cuivre).

En modulant la concentration de dopage au cobalt, l’équipe a atteint une efficacité faradique remarquable de 60 % par rapport au méthane à une densité de courant de fonctionnement élevée.

« Le message clé que nous voulons transmettre dans ce travail est qu’en dopant atomiquement le cuivre avec d’autres métaux de transition 3D, même en petite quantité, l’énergie et la de réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone peuvent être modulées de manière contrôlée », a déclaré Peng.

Dans une prochaine étape, l’équipe souhaite atteindre une meilleure stabilité. Pour ce faire, ils testent le système catalytique dans un bloc électrode à membrane. « Notre objectif ultime est d’atteindre la productivité et la stabilité de la production de méthane à l’échelle industrielle et de réaliser l’utilisation imaginative du dioxyde de carbone d’une manière respectueuse de l’environnement », a déclaré Peng.


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Plus d’information:
Hao Sun et al., Alliage Co-Cu à dispersion atomique reconstruit à partir d’un cadre métal-organique pour la promotion électrochimique du CO2 méthanisation, nanorecherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4728-1

Fourni par Tsinghua University Press

Citation: Researchers Fabricate Cobalt-Copper Catalysts for Methane on Metal-Organic Frameworks (12 août 2022) Extrait le 13 août 2022 de https://phys.org/news/2022-08-fabricate-cobalt-copper-catalysts-methane.html

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