La conversion du CO₂ en molécules d'intérêt pour l'industrie chimique à l'aide de l'électricité (conversion électrocatalytique) constitue une solution prometteuse pour contribuer à réduire les émissions de carbone en permettant le développement d'une économie circulaire du carbone, dans laquelle le CO₂ devient une ressource plutôt qu'un déchet.
Des électrodes moléculaires à base de cobalt
Dans ce contexte, les chercheurs du LCBM (Laboratoire Chimie et Biologie des matériaux, CEA/CNRS/Université Grenoble Alpes) ont conçu des électrodes carbonées fonctionnalisés par des catalyseurs à base de cobalt. Ces systèmes permettent de produire efficacement du monoxyde de carbone (CO), une molécule clé utilisée dans de nombreux procédés industriels pour la fabrication de carburants et de produits chimiques.
Dans de précédents travaux, l'équipe avait montré qu'un catalyseur moléculaire nommé CoN4H (complexe tétraazamacrocyclique à base de cobalt), modifié par une fonction d'ancrage pyrène*, présentait une excellente activité pour la production de CO en milieu aqueux.
Une meilleure compréhension de l'organisation des catalyseurs
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs se sont intéressés à la manière dont les sites catalytiques s'organisent à la surface de l'électrode. En modulant la concentration des catalyseurs à la surface, ils ont pu mesurer plus précisément leur activité intrinsèque et mieux comprendre leur comportement pendant le fonctionnement.
Leurs résultats indiquent que tous les sites catalytiques* ne se comportent pas de la même façon. Certains présentent une réponse électrochimique détectable mais se dégradent progressivement au cours du temps. D'autres, en revanche, restent « silencieux » d'un point de vue électrochimique, tout en continuant à catalyser efficacement la réaction. L'hypothèse d'orientations différentes des sites en fonction de la concentration de surface pourrait expliquer ces différences de réponses électrochimiques et avoir des implications sur la modulation de l'activité des sites ainsi que sur les processus de dégradation de ces derniers.
Vers des électrolyseurs plus performants
Ces travaux permettent ainsi de mieux comprendre les mécanismes de fonctionnement et de désactivation des électrodes moléculaires. Ils soulignent également l'importance de contrôler finement l'organisation des catalyseurs à la surface afin d'optimiser leurs performances. Enfin, ils ouvrent de nouvelles perspectives de recherche, notamment pour moduler la sélectivité et la stabilité des sites à l'électrode, afin d'intégrer ces cathodes au sein d'électrolyseurs fonctionnels dédiés à la valorisation du CO2.
*Fonction d'ancrage pyrène : permet d'attacher un catalyseur à une surface carbonée, sans modifier chimiquement cette surface tout en assurant une bonne stabilité et une bonne conductivité grâce au pyrène qui est une molécule aromatique formant des interactions non covalentes de type pi-pi avec la surface de matériaux pi-conjugués.
*Sites catalytiques : emplacements précis à la surface de l'électrode où se déroule la réaction chimique de conversion du CO₂