Depuis les années 1970, les scientifiques savent que le cuivre a une capacité particulière à transformer le dioxyde de carbone en produits chimiques et carburants précieux. Mais pendant de nombreuses années, les scientifiques ont eu du mal à comprendre remark ce métal commun fonctionne comme un électrocatalyseur, un mécanisme qui utilise l’énergie des électrons pour transformer chimiquement les molécules en différents produits.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory (Berkeley Lab) a acquis de nouvelles connaissances en capturant des movies en temps réel de nanoparticules de cuivre (particules de cuivre conçues à l’échelle d’un milliardième de mètre) lorsqu’elles convertissent le CO2 et l’eau en énergie renouvelable. carburants et produits chimiques : éthylène, éthanol et propanol, entre autres. Le travail a été rapporté dans la revue Nature la semaine dernière.
“C’est très excitant. Après des décennies de travail, nous sommes enfin en mesure de montrer – avec des preuves indéniables – remark les électrocatalyseurs en cuivre great dans la réduction du CO2”, a déclaré Peidong Yang, chercheur principal en sciences des matériaux et sciences chimiques au Berkeley Lab. Divisions qui ont mené l’étude. Yang est également professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley. “Savoir à quel stage le cuivre est un exceptional électrocatalyseur nous rapproche de la transformation du CO2 en nouveaux carburants solaires renouvelables grâce à la photosynthèse artificielle.”
Le travail a été rendu achievable en combinant une nouvelle technique d’imagerie appelée STEM à cellule liquide électrochimique operando 4D (microscopie électronique à transmission à balayage) avec une sonde à rayons X mous pour étudier le même environnement d’échantillon : des nanoparticules de cuivre dans un liquide. Le premier auteur Yao Yang, boursier postdoctoral de l’UC Berkeley Miller, a conçu l’approche révolutionnaire sous la path de Peidong Yang tout en préparant son doctorat. en chimie à l’Université Cornell.
Les scientifiques qui étudient les matériaux et les réactions de photosynthèse artificielle ont voulu combiner la puissance d’une sonde électronique avec les rayons X, mais les deux strategies ne peuvent généralement pas être réalisées par le même instrument.
Les microscopes électroniques (tels que STEM ou TEM) utilisent des faisceaux d’électrons et excellent dans la caractérisation de la structure atomique dans certaines events d’un matériau. Ces dernières années, les instruments 4D STEM (ou “2D raster of 2D diffraction designs utilizing scanning transmission electron microscopy”), tels que ceux de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, ont repoussé encore plus loin les limites de la microscopie électronique, permettant aux scientifiques de cartographier les atomes ou régions moléculaires dans une variété de matériaux, du verre métallique dur aux films souples et flexibles.
D’autre part, les rayons X mous (ou à faible énergie) sont utiles pour identifier et suivre les réactions chimiques en temps réel dans un environnement operando ou réel.
Mais maintenant, les scientifiques peuvent avoir le meilleur des deux mondes. Au cœur de la nouvelle approach se trouve un porte-échantillon électrochimique à “cellule liquide” d’une polyvalence remarquable. Mille fois furthermore fin qu’un cheveu humain, l’appareil est suitable avec les devices STEM et à rayons X.
La conception extremely-mince de la cellule liquide électrochimique permet une imagerie fiable d’échantillons délicats tout en les protégeant des dommages causés par les faisceaux d’électrons. Une électrode spéciale conçue sur mesure par le co-auteur Cheng Wang, un scientifique de l’Advanced Mild Resource de Berkeley Lab, a permis à l’équipe de mener des expériences de rayons X avec la cellule liquide électrochimique. La combinaison des deux permet aux chercheurs de caractériser de manière exhaustive les réactions électrochimiques en temps réel et à l’échelle nanométrique.
Devenir granulaire
Au cours des expériences 4D-STEM, Yao Yang et son équipe ont utilisé la nouvelle cellule liquide électrochimique pour observer les nanoparticules de cuivre (d’une taille allant de 7 nanomètres à 18 nanomètres) évoluer en nanograins actifs pendant l’électrolyse du CO2 – un processus qui utilise l’électricité pour provoquer une réaction sur la floor d’un électrocatalyseur.
Les expériences ont révélé une shock : des nanoparticules de cuivre combinées en de as well as grands “nanograins” de cuivre métallique quelques secondes après la réaction électrochimique.
Avec l’aide de Wang, l’équipe de recherche a utilisé la même cellule liquide électrochimique, mais cette fois lors d’expériences RSoXS, pour déterminer si les nanograins de cuivre facilitent la réduction du CO2. Les rayons X mous sont idéaux pour étudier comment les électrocatalyseurs de cuivre évoluent pendant la réduction du CO2, a expliqué Wang. En utilisant RSoXS, les chercheurs peuvent surveiller plusieurs réactions entre des milliers de nanoparticules en temps réel et identifier avec précision les réactifs et produits chimiques.
Les expériences RSoXS à l’Advanced Mild Supply – ainsi que des preuves supplémentaires recueillies à Cornell Substantial Power Synchrotron Resource (CHESS) – ont prouvé que les nanograins de cuivre métallique servent de web pages actifs pour la réduction du CO2. (Le cuivre métallique, également appelé cuivre(), est une forme de l’élément cuivre.)
Lors de l’électrolyse du CO2, les nanoparticules de cuivre changent de structure au cours d’un processus appelé “brouillage électrochimique”. La couche superficielle d’oxyde des nanoparticules de cuivre se dégrade, créant des web pages ouverts sur la area du cuivre pour que les molécules de CO2 se fixent, a expliqué Peidong Yang. Et lorsque le CO2 “s’amarre” ou se lie à la surface du nanograin de cuivre, les électrons sont ensuite transférés au CO2, provoquant une réaction qui produit simultanément de l’éthylène, de l’éthanol et du propanol ainsi que d’autres produits multicarbonés.
“Les nanograins de cuivre se transforment essentiellement en petites usines de fabrication de produits chimiques”, a déclaré Yao Yang.
D’autres expériences à la Molecular Foundry, à l’Advanced Light-weight Source et au CHESS ont révélé que la taille compte. Toutes les nanoparticules de cuivre de 7 nanomètres ont participé à la réduction du CO2, contrairement aux nanoparticules additionally grosses. De furthermore, l’équipe a appris que seul le cuivre métallique peut réduire efficacement le CO2 en produits multicarbonés. Les résultats ont des implications pour “la conception rationnelle d’électrocatalyseurs au CO2 efficaces”, a déclaré Peidong Yang.
La nouvelle étude a également validé les conclusions de Peidong Yang de 2017 : que les nanoparticules de cuivre de la taille de 7 nanomètres nécessitent de faibles apports d’énergie pour commencer la réduction du CO2. En tant qu’électrocatalyseur, les nanoparticules de cuivre de 7 nanomètres nécessitaient une power motrice history d’environ 300 millivolts de moins que les électrocatalyseurs de cuivre en vrac typiques. Les catalyseurs les additionally performants qui produisent des produits multicarbonés à partir de CO2 fonctionnent généralement à une force motrice élevée de 1 volt.
Les nanograins de cuivre pourraient potentiellement augmenter l’efficacité énergétique et la productivité de certains catalyseurs conçus pour la photosynthèse artificielle, un domaine de recherche qui vise à produire des carburants solaires à partir de la lumière du soleil, de l’eau et du CO2. Actuellement, des chercheurs de la Liquid Daylight Alliance (LiSA), financée par le ministère de l’Énergie, prévoient d’utiliser les catalyseurs à foundation de nanograins de cuivre dans la conception de futurs dispositifs à flamable solaire.
« La capacité de la approach à enregistrer des films en temps réel d’un processus chimique ouvre des opportunités passionnantes pour étudier de nombreux autres processus de conversion d’énergie électrochimique. C’est une énorme percée, et cela n’aurait pas été attainable sans Yao et son travail de pionnier », a déclaré Peidong Yang..
Des chercheurs du Berkeley Lab, de l’UC Berkeley et de l’Université Cornell ont contribué aux travaux. Les autres auteurs de l’article incluent les co-premiers auteurs Sheena Louisa et Sunmoon Yu, ancien Ph.D. de l’UC Berkeley. étudiants du groupe de Peidong Yang, avec Jianbo Jin, Inwhan Roh, Chubai Chen, Maria V. Fonseca Guzman, Julian Feijóo, Peng-Cheng Chen, Hongsen Wang, Christopher Pollock, Xin Huang, Yu-Tsuan Shao, Cheng Wang, David A Muller et Héctor D. Abruña.
Certaines get-togethers des expériences ont été réalisées par Yao Yang à Cornell sous la supervision d’Héctor Abruña, professeur de chimie et de biologie chimique, et de David A. Muller, professeur d’ingénierie.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science.
La fonderie moléculaire et la supply de lumière avancée sont des installations pour les utilisateurs du laboratoire de Berkeley.