Kit de construction Catalyseur
Cadre organique sans métal pour la production électrocatalytique d'éthylène à partir de dioxyde de carbone
L'utilisation du gaz à effet de serre CO2 comme matière première chimique permettrait non seulement de réduire les émissions, mais aussi la consommation de matières premières fossiles. Un nouveau cadre organique sans métal pourrait permettre de produire par électrocatalyse de l'éthylène, une matière première chimique primaire, à partir du CO2. Comme le rapporte une équipe dans la revue Angewandte Chemie, les atomes d'azote ayant une configuration électronique particulière jouent un rôle essentiel pour le catalyseur.
© Wiley-VCH, Angewandte Chemie
L'éthylène (éthène, C2H4) est une matière première essentielle pour de nombreux produits, notamment le polyéthylène et d'autres matières plastiques. L'éthylène est produit industriellement par le craquage et la rectification à haute énergie de matières premières fossiles. La conversion électrochimique du CO2 en éthylène serait une voie prometteuse pour réduire les émissions de CO2 tout en économisant l'énergie et les ressources fossiles.
Le CO2 est très stable, ce qui le rend difficile à mettre en réaction. Grâce à l'électricité et à des catalyseurs, il est actuellement possible de le convertir en produits chimiques C1 tels que le méthanol et le méthane. La difficulté supplémentaire de la production d'éthylène réside dans le fait qu'une liaison doit être formée entre deux atomes de carbone. Jusqu'à présent, cela n'a été possible qu'avec des catalyseurs à base de cuivre. L'électrocatalyse sans métal serait avantageuse, car les métaux sont un facteur de coût et peuvent causer des problèmes environnementaux.
Une équipe dirigée par Chengtao Gong et Fu-Sheng Ke de l'université de Wuhan, en Chine, a mis au point un électrocatalyseur sans métal pour la conversion du CO2 en éthylène. Le catalyseur est basé sur un cadre organique covalent (COF) contenant de l'azote. Les COF constituent une nouvelle classe de matériaux organiques purs, poreux et cristallins, à la topologie définie. Contrairement aux cadres métallo-organiques (MOF), ils ne nécessitent pas d'ions métalliques pour les maintenir ensemble. La taille de leurs pores et leurs propriétés chimiques peuvent être réglées dans une large gamme par la sélection des éléments constitutifs.
Le nouveau COF contient des atomes d'azote avec une configuration électronique spéciale (hybridation sp3) en tant que centres catalytiques actifs. Ces centres d'azote sp3 lient les blocs de construction individuels dans une structure par une liaison aminale (deux groupes aminés liés à un atome de carbone). Contrairement aux COFs avec une liaison imine classique (-C=N-), les COFs aminaux ont des exigences strictes en ce qui concerne les longueurs et les angles des liaisons entre les blocs de construction, ce qui fait que les structures sont formées par des fermetures d'anneaux. Les chercheurs ont trouvé une combinaison appropriée en utilisant la pipérazine (un anneau à six membres composé de quatre atomes de carbone et de deux atomes d'azote) et un bloc de construction composé de trois anneaux de carbone aromatiques à six membres. Utilisés comme électrodes, leurs nouveaux COF ont fait preuve d'une sélectivité et d'une performance élevées (efficacité Faraday jusqu'à 19,1 %) pour la production d'éthylène. Le succès des COF aminaux est dû à la forte densité de centres actifs sp3-azote, qui capturent très efficacement le CO2 et transfèrent les électrons. Il en résulte une forte concentration d'intermédiaires excités qui peuvent subir un couplage C-C. En revanche, une variété de COF liés à l'imine, qui contiennent de l'azote sp2 au lieu de sp3, ont été testés de la même manière et n'ont pas produit d'éthylène. Cela prouve l'importance d'une configuration électronique appropriée pour la réduction électrochimique du CO2 en éthylène.
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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