L'imagerie neutronique révèle un potentiel d'optimisation pour la conversion du CO₂
Étude très précise dans des conditions d'exploitation réalistes
Le dioxyde de carbone, gaz à effet de serre nocif pour l'environnement, ou CO₂, peut être converti en produits chimiques précieux tels que le monoxyde de carbone (CO) ou l'éthanol au moyen d'une réduction électrochimique - l'électrolyse. Ces produits peuvent être utilisés comme matières premières pour l'industrie ou pour l'approvisionnement durable en énergie. Cependant, un obstacle majeur à la stabilité à long terme de cette technologie est la gestion de l'eau et du sel à l'intérieur de la cellule électrolytique dans laquelle la réaction chimique a lieu.
L'équipe de recherche dirigée par Joey Disch et Severin Vierrath de Hahn-Schickard et de l'université de Fribourg, en collaboration avec l'Institut français Laue-Langevin de Grenoble, a réalisé des progrès significatifs dans la compréhension de la distribution de l'eau pendant l'électrolyse du CO₂. Leur étude a d'abord été publiée dans les ACS Energy Letters, puis dans le numéro de février de Nature Catalysis. L'étude utilise l'imagerie neutronique à haute résolution - l'une des méthodes les plus puissantes pour étudier directement le transport de l'eau dans les électrolyseurs - pour visualiser les mécanismes de transport pendant le fonctionnement pulsé d'un électrolyseur de CO₂. Avec une résolution spatiale de 6 μm, cette méthode permet une étude très précise de la distribution de l'eau et de la formation de sels dans des conditions de fonctionnement réalistes (400 mA cm-² à une tension de cellule de 3,1 V et un rendement faradique pour le CO de 95 %). Contrairement aux rayons X, les neutrons pénètrent facilement même les composants métalliques, tout en rendant très visibles les structures contenant de l'hydrogène et donc de l'eau.
Les résultats montrent une stabilisation significative de l'électrolyseur pendant le fonctionnement pulsé, dans lequel le potentiel de la cellule est périodiquement réglé à un potentiel inférieur au début de la réduction pendant un court laps de temps. L'imagerie neutronique explique cette stabilisation et montre que pendant les brèves interruptions de fonctionnement, la teneur en eau de la couche de diffusion des gaz augmente, ce qui favorise la décomposition des dépôts de sels obstructifs.
La réduction électrochimique du CO₂ ouvre des perspectives prometteuses pour une transformation durable de l'industrie chimique. En particulier, l'électrolyse du CO₂ pour la production de monoxyde de carbone est sur le point de trouver une application industrielle : les cellules d'électrolyse avec des membranes d'échange d'anions impressionnent déjà par leur efficacité remarquable grâce à une gestion optimisée des réactifs et à des pertes de résistance minimisées. Ces résultats fournissent donc des informations précieuses pour optimiser la conception et le fonctionnement des électrolyseurs de CO₂, améliorer leur efficacité et leur stabilité à long terme, et faciliter l'élimination du CO₂, gaz à effet de serre nocif, de l'environnement.
Source de financement et remerciements
Ce travail a été financé par la Fondation Vector (CO2-to-X) et repose en partie sur des travaux antérieurs financés par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (ErUM Pro 05K19VFA, NeutroSense). Les auteurs souhaitent remercier l'Institut Laue-Langevin (ILL) pour la réalisation de l'expérience de radiographie neutronique.
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.
Publication originale
Marçal Capdevila-Cortada; "Pulsed electrolysis through neutron lenses"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-2-26
Luca Bohn, Josephine Häberlein, Frederik Brendel, Lukas Metzler, Lukas Helfen, Alessandro Tengattini, Carolin Klose, Severin Vierrath, Joey Disch; "High-Resolution Neutron Imaging of Water Transport in CO2 Electrolysis during Pulsed Operation"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-1-26
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