Réduction électrocatalytique du CO2 en CO catalysée par un composite amorphe CuSBox : performances régulées par la demande et l'offre de CO2

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Contexte académique

Face à l’aggravation du changement climatique mondial, la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) et la recherche de solutions énergétiques durables sont devenues des axes majeurs de la recherche scientifique. La réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone (CO2RR) est une technologie verte prometteuse susceptible de transformer le CO2 en produits chimiques et carburants de grande valeur. Cependant, malgré les progrès remarquables accomplis dans ce domaine, le CO2RR rencontre encore de nombreux défis en application réelle, notamment la production sélective et efficace du produit cible à haute densité de courant. Un des principaux obstacles réside dans la faible solubilité du CO2 dans l’électrolyte, ce qui entraîne une insuffisance d’approvisionnement en CO2 à la surface de la cathode et limite ainsi l’efficacité de la réaction.

Afin de surmonter cet obstacle, les chercheurs se sont investis dans le développement de nouveaux électrocatalyseurs et dans l’exploration des relations dynamiques entre la demande et l’approvisionnement en CO2. Cette étude exploite la synthèse in situ d’une cathode amorphe à base d’oxyde de cuivre et d’antimoine (CuSbOx), étudie systématiquement l’influence de la demande et de l’approvisionnement en CO2 sur les performances catalytiques dans la CO2RR, et met en lumière le rôle déterminant de la capacité d’approvisionnement en CO2 sur l’activité électrocatalytique.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Huai Qin Fu, Tingting Yu, Jessica White et leurs collègues, originaires notamment de la Griffith University (Australie) et de l’East China University of Science and Technology. L’article a été publié le 13 mars 2025 dans la revue Chem sous le titre : « Amorphous CuSbOx Composite-Catalyzed Electrocatalytic Reduction of CO2 to CO: CO2 Demand-Supply-Regulated Performance ».

Déroulement de la recherche

1. Préparation de la cathode amorphe CuSbOx

Les chercheurs ont adopté une méthode de conversion électrochimique pour transformer in situ, sous conditions CO2RR, un précurseur de CuSbS2 fixé sur du papier carbone en une cathode amorphe CuSbOx. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Synthèse du précurseur : Le précurseur CuSbS2 est synthétisé par une méthode solvothermique et ses structures et morphologies sont caractérisées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie Raman et microscopie électronique en transmission (TEM). - Conversion électrochimique : Le papier carbone chargé de CuSbS2 est soumis à une polarisation cathodique de -1,0 V (vs. RHE) dans un électrolyte 0,5 M KHCO3 saturé de CO2 pendant 1 heure pour générer le CuSbOx amorphe.

2. Évaluation des performances électrocatalytiques

Dans un système électrochimique à trois électrodes, les chercheurs évaluent la performance CO2RR de la cathode CuSbOx, comprenant notamment : - Densité de courant et rendement faradique : Pour divers potentiels cathodiques et différentes densités de charge de catalyseur, ils mesurent la densité de courant totale (jtotal), la densité de courant partielle de CO (jco) et celle de H2 (jh2), puis calculent l’efficacité faradique de CO et de H2 (FEco et FEh2). - Test de stabilité : Ils effectuent une électrolyse continue de 27 heures à -1,0 V (vs. RHE), en suivant l’évolution de jco et de FEco.

3. Étude de la relation demande–approvisionnement en CO2

À travers des expériences et des modélisations numériques, les chercheurs étudient systématiquement l’effet de la demande et de l’approvisionnement en CO2 sur la performance de la cathode CuSbOx : - Études expérimentales : Dans une cellule H-type et une cellule à flux à électrode à diffusion de gaz (GDE), ils évaluent la performance CO2RR en fonction de différentes densités de charge catalytique. - Simulation numérique : À l’aide de la méthode des éléments finis dans COMSOL Multiphysics, ils établissent un modèle d’interface cathode/électrolyte et simulent la distribution de concentration de CO2 ainsi que la densité de courant.

4. Caractérisation de la structure et de l’état chimique

Grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS), à la spectroscopie Raman et à la diffraction des rayons X, les chercheurs réalisent une caractérisation détaillée de la structure et de l’état chimique de la cathode CuSbOx, confirmant sa stabilité pendant la CO2RR.

Principaux résultats

1. Préparation et caractérisation de la cathode amorphe CuSbOx

  • Caractérisation structurelle : Les analyses XRD et Raman montrent une transformation complète du précurseur CuSbS2 en une phase amorphe CuSbOx, avec une distribution homogène des éléments Cu, Sb et O.
  • Performances électrochimiques : Sous -1,0 V (vs. RHE), la cathode CuSbOx atteint dans la cellule H-type un jco de 27,2 mA cm⁻² et un FEco de 91,2 %, et dans la cellule GDE une valeur de 283 mA cm⁻² pour jco et de 81,5 % pour FEco.

2. Relation entre demande et approvisionnement en CO2

  • Influence de la densité de charge catalytique : Avec l’augmentation de la densité de charge du catalyseur, jco augmente d’abord rapidement puis atteint un plateau, signe que la capacité d’approvisionnement en CO2 arrive à saturation.
  • Résultats de simulation : Les simulations indiquent que dans la cellule H-type, la capacité d’approvisionnement en CO2 limite la valeur maximale de jco ; dans la cellule GDE, bien que la capacité d’approvisionnement soit notablement accrue, elle demeure un facteur limitant.

3. Stabilité structurale et chimique

  • Analyse XAS : Les spectres K-edge de Cu et Sb montrent que la cathode CuSbOx conserve des unités structurales Cu2O et Sb2O3 stables sous conditions CO2RR.
  • Test de stabilité : Durant 27 heures d’électrolyse continue, jco et FEco demeurent quasiment constants, ce qui indique une excellente stabilité électrochimique de la cathode CuSbOx.

Conclusion et signification

Cette étude, par la synthèse in situ d’une cathode amorphe CuSbOx, a permis d’analyser systématiquement l’impact de la demande et de l’approvisionnement en CO2 sur la performance catalytique lors de la CO2RR, et a mis en évidence le rôle déterminant de la capacité d’approvisionnement en CO2 sur l’activité électrocatalytique. Les résultats démontrent qu’en dépit d’une capacité d’apport en CO2 nettement supérieure dans la cellule GDE par rapport à la cellule H-type, la performance y reste toujours limitée par la saturation de cet approvisionnement. Cette découverte fournit un guide fondamental pour la conception et l’optimisation des électrocatalyseurs, et souligne l’importance de tenir compte de la disponibilité du CO2 lors de l’évaluation des performances électrocatalytiques.

Points saillants de l’étude

  1. Synthèse in situ de la cathode amorphe CuSbOx : Une méthode de conversion électrochimique sous conditions CO2RR a permis la préparation directe d’une cathode amorphe CuSbOx dotée d’une grande stabilité.
  2. Étude quantitative de la relation demande–approvisionnement en CO2 : Par des études expérimentales et numériques, l’influence de ces facteurs sur la performance électrocatalytique a été systématiquement mise en lumière.
  3. Électrocatalyseur CO2RR haute performance : Dans la cellule GDE, la cathode CuSbOx a atteint un jco de 283 mA cm⁻², témoignant de son potentiel pour les applications à haute densité de courant.
  4. Stabilité structurelle et chimique : Diverses techniques de caractérisation ont confirmé la stabilité de la cathode CuSbOx dans les conditions de CO2RR, assurant ainsi sa viabilité pratique.

Autres informations remarquables

L’étude inclut également des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), qui révèlent le mécanisme de synergie entre Cu2O et Sb2O3 pour l’amélioration de l’activité et de la sélectivité en CO2RR, fournissant ainsi une base théorique précieuse pour l’optimisation future des catalyseurs.

Cette recherche propose ainsi de nouvelles perspectives pour le développement des catalyseurs CO2RR et apporte des éclairages importants sur la relation entre les performances électrocatalytiques et les conditions de réaction, revêtant ainsi une grande valeur scientifique et applicative.