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Aug 28, 2023

Le rôle de l'oxygène

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 2040 (2023) Citer cet article 7711 Accès 1 Citations 2 Détails Altmetric Metrics Couplage électrochimique de la valorisation de la biomasse avec le carbone

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 2040 (2023) Citer cet article

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Le couplage électrochimique de la valorisation de la biomasse avec la conversion du dioxyde de carbone (CO2) constitue une approche prometteuse pour générer des produits chimiques à valeur ajoutée des deux côtés de l'électrolyseur. Ici, l'oxyhydroxyde d'indium riche en oxygène (InOOH-OV) est développé en tant que catalyseur bifonctionnel pour la réduction du CO2 en formiate et l'électrooxydation du 5-hydroxyméthylfurfural en acide 2,5-furandicarboxylique avec des efficacités faradiques pour les deux supérieures à 90,0 % à des potentiels optimisés. Les images de microscopie électronique à l'échelle atomique et les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité révèlent que l'introduction de sites vacants en oxygène provoque une distorsion du réseau et une redistribution des charges. Les spectres Operando Raman indiquent que les lacunes en oxygène pourraient empêcher l'InOOH-OV d'être davantage réduit lors de la conversion du CO2 et augmenter la compétitivité d'adsorption du 5-hydroxyméthylfurfural par rapport aux ions hydroxyde dans les électrolytes alcalins, faisant d'InOOH-OV un électrocatalyseur d'oxyde métallique à bloc p du groupe principal avec activités bifonctionnelles. Basée sur les performances catalytiques d'InOOH-OV, une cellule intégrée à pH asymétrique est fabriquée en combinant la réduction du CO2 et l'oxydation du 5-hydroxyméthylfurfural dans une seule cellule électrochimique pour produire de l'acide 2,5-furandicarboxylique et du formiate avec des rendements élevés (tous deux autour de 90,0 %), offrant une approche prometteuse pour générer simultanément des produits chimiques précieux sur les deux électrodes.

La réaction de réduction électrochimique du CO2 (CO2RR) est devenue l’un des points chauds de la recherche en électrochimie, tant pour l’atténuation du réchauffement climatique que pour la production de produits chimiques précieux1,2,3. Une électrode de test CO2RR typique est généralement associée à une réaction de dégagement d'oxygène (OER) comme contre-électrode avec une consommation d'énergie élevée en raison de la cinétique de réaction lente pour l'OER4,5. De plus, le produit O2 limite le bénéfice économique du système d'électrolyse au vu de sa valeur actuelle (~0,03 $/kg)6,7,8. Pour résoudre ces problèmes, une approche prometteuse pourrait consister à remplacer les REL par le processus de valorisation oxydante de petites molécules dérivées de la biomasse à un potentiel thermodynamique plus faible7, qui s'est déjà révélé efficace pour réduire la tension de la cellule d'électrolyse pour la réaction de dégagement d'hydrogène (HER). 5,9,10. En construisant une cellule d'électrolyse intégrée avec CO2RR couplé et oxydation de petites molécules dérivées de la biomasse, on pourrait obtenir non seulement une efficacité énergétique globale améliorée, mais également des produits à haute valeur ajoutée au niveau des deux électrodes.

Parmi les produits de réduction possibles du CO2RR sur la cathode, l'acide formique (HCOOH) revêt une grande importance car il peut servir d'intermédiaire chimique vital dans de nombreux processus industriels, de composé liquide potentiel pour le stockage de l'hydrogène et même de carburant directement utilisé dans piles à combustible à acide formique11,12,13. Pour la réaction anodique, un candidat prometteur est l’oxydation du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF), une petite molécule dérivée de la biomasse lignocellulosique14. Grâce à la présence de groupes hydroxyle et aldéhyde actifs, le HMF peut être transformé en divers précurseurs chimiques de grande valeur utiles pour les industries chimiques14,15. Plus précisément, l'acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA), résultant du HMF par oxydation de ses deux groupes contenant de l'oxygène en carboxyle, est l'un des 12 principaux produits chimiques dérivés du sucre revendiqués par le ministère américain de l'Énergie16,17. Par conséquent, le couplage électrochimique du CO2RR cathodique avec la réaction d'oxydation anodique du HMF (HMFOR) devrait être très prometteur pour la production synchrone de produits chimiques à valeur ajoutée (par exemple, HCOOH et FDCA) au sein d'une cellule d'électrolyse (Fig. 1a). Les réactions demi-cellule et globales impliquées dans la figure 1a sont présentées ci-dessous.

Pour doter le système intégré d'une efficacité de production élevée, deux problèmes doivent être résolus : i) Une cellule d'électrolyse asymétrique efficace doit être développée car un électrolyte neutre est favorable au CO2RR18 tandis qu'un environnement basique fort peut accélérer considérablement la production de FDCA14,19 ; et ii) L'activité et la sélectivité des catalyseurs doivent être améliorées pour améliorer l'efficacité de la production de HCOOH et de FDCA en supprimant les réactions compétitives correspondantes HER et OER à la cathode et à l'anode, respectivement. Ainsi, il est hautement souhaitable, mais toujours difficile, de développer une classe de catalyseurs bifonctionnels pour un CO2RR et un HMFOR efficaces dans une cellule d’électrolyse avec des valeurs de pH asymétriques. S'ils sont réalisés, les catalyseurs bifonctionnels CO2RR et HMFOR peuvent simplifier la construction de la cellule d'électrolyse et éviter la synthèse de différents catalyseurs, et donc des économies d'énergie et de coûts pour les applications pratiques (voir ci-dessous).