Efficacité des catalyseurs dans les systèmes d’électroréduction du CO2

Par: Johnny Kung

7 Mai, 2020

07 mai 2020

Contexte

L’une des stratégies prometteuses pour atténuer les effets des émissions de CO₂ sur l’environnement consiste à convertir le CO₂ par réduction électrochimique en molécules à forte valeur ajoutée. De tels systèmes d’électrolyse du CO₂ se divisent de façon générale en deux catégories en fonction d’une température de fonctionnement haute ou basse, assorties chacune de leurs propres forces et faiblesses. Toutefois, pour que ces divers types d’électrolyseurs de CO₂ soient efficaces à des échelles industrielles et sociétales pertinentes, il faut optimiser encore davantage diverses composantes de ces électrolyseurs, notamment les catalyseurs utilisés pour la réaction de réduction du CO₂ (RRCO₂).

Le 20 mars 2020, le CIFAR a organisé une table ronde virtuelle qui a réuni des Boursiers du programme de recherche Énergie solaire bioinspirée du CIFAR, et des experts internationaux du milieu universitaire, de l’industrie et de laboratoires gouvernementaux nationaux pour parler des développements dans le domaine des catalyseurs pour électrolyseurs de CO₂. Par l’entremise de brèves présentations et de discussions avec animateur, les participants ont partagé leur expertise sur les électrocatalyseurs de la RRCO₂à basse et à haute températures, et parlé des défis, des solutions et des prochaines étapes pour l’élaboration de catalyseurs. Il s’agit du deuxième événement d’une série de tables rondes destinées à élargir l’impact sociétal du programme Énergie solaire bioinspirée du CIFAR, en vue de créer une feuille de route pour la R. et D. sur les systèmes d’électroréduction du CO₂ à l’échelle commerciale.

Résultats clés

La cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) est un des types de systèmes d’électrolyse de CO₂ à haute température qui a déjà été commercialisés. Ce système utilise un électrolyte solide composé d’un matériau céramique, comme la zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ), qui conduit les ions O^2- à une température de fonctionnement de 700 à 800°C. L’électrode à combustible (cathode) est souvent un composite du matériau électrolytique et de Ni, ce dernier agissant comme catalyseur et conducteur d’électrons. L’électrode à air (anode) se compose le plus souvent d’une pérovskite dopée au lanthanide, comme du LaMnO₃ (LSM) ou du La(Fe,Co)O₃ (LSCF) dopé au Sr. On croit que le CO₂ gazeux qui alimente l’électrode à combustible est réduit en CO à la couche limite triphasée de la phase gazeuse, du conducteur d’électrons (catalyseur à base de Ni) et du conducteur d’ions (YSZ). Ensuite, l’O^2- diffuse à travers l’électrolyte jusqu’à l’électrode à air où il est oxydé en O₂ à une autre couche limite triphasée.
En raison de leur fonctionnement à haute température, il est possible d’intégrer plus étroitement les SOEC dans des processus de capture de carbone à partir de sources de CO₂ à haute température, comme le gaz de carneau, ainsi que dans la conversion en aval de CO en d’autres produits à valeur ajoutée, par ex., par l’entremise du processus Fischer-Tropsch (quoique le fonctionnement à haute pression requis pour ce dernier processus demeure un défi technique pour les SOEC céramiques).
Les SOEC ont une sélectivité élevée pour la production de CO, mais il n’y a actuellement aucun catalyseur qui peut être utilisé pour la RRCO₂à haute température en produits C₂ ou C₃. Certains catalyseurs pourraient fonctionner en abaissant la température réactionnelle autour de 400°C, mais à ces températures la conductivité ionique de l’électrolyte solide diminue de façon importante.
Plusieurs mécanismes éventuels de dégradation des catalyseurs à base de Ni dans des systèmes SOEC à haute température ont été cernés. Entre autres, le Ni est vulnérable à l’empoisonnement par le S — une étude a découvert que même 5 ppb de S dans les gaz d’admission augmentent le taux de dégradation de l’électrode à base de Ni. Conséquemment, il est impossible d’utiliser des sources de CO₂ comme le gaz de carneau sans purification exhaustive. Un autre problème réside dans le fait que le Ni est aussi un bon catalyseur pour la formation de nanotubes de carbone qui se déposent sur l’électrode à combustible et peuvent désactiver la cellule. Finalement, il a été observé que le catalyseur à base de Ni peut perdre le contact électrique avec le réseau à base de Ni dans le reste de la cellule après un fonctionnement prolongé.
Pour les systèmes d’électrolyse de CO₂ à basse température, il y a deux configurations courantes qui utilisent toutes deux des solutions d’électrolytes aqueux. Dans l’une de ces configurations, basée sur la configuration d’une cellule électrolytique de type H, le CO₂ est dissous dans l’électrolyte aqueux avant d’atteindre la cathode. Toutefois, la faible solubilité du CO₂ qui limite la vitesse de réaction à la cathode pose problème. Une autre configuration de cuve à circulation, particulièrement importante pour des opérations à large échelle, utilise une électrode de diffusion de gaz (EDG) pour la cathode, à laquelle le CO₂ est transmis directement. Dans cette configuration, le catalyseur se dépose sur la face d’un matériau de soutien hydrophobe (souvent à base de polymères, comme le PTFE) qui fait face à l’électrolyte, et ce matériau de soutien hydrophobe forme la EDG. On croit que la réaction de réduction se produit à la couche limite triphasée du réactif en phase gazeuse, du catalyseur en phase solide et de l’électrolyte en phase liquide (ou la source de proton de CO₂ humidifié).
Un certain nombre de catalyseurs métalliques ont fait l’objet d’études relativement à leur utilisation dans des systèmes de RRCO₂ à basse température, y compris l’Au, l’Ag et le Cu. Parmi ceux-ci, le Cu est particulièrement intéressant en raison de sa capacité à catalyser la réduction de produits pluricarbonés au-delà du CO (hydrocarbures et alcools). Cela est probablement causé par la capacité du Cu de se lier correctement au CO en tant qu’intermédiaire réactionnel pour le processus subséquent de couplage C-C, et suggère aussi la possibilité d’ajuster la structure électronique des catalyseurs pour modifier la liaison des intermédiaires réactionnels et, en conséquence, la sélectivité du produit. De plus, il a été démontré que l’activité et la sélectivité réactionnelles sont influencées par la morphologie du catalyseur — des facteurs comme la forme et la taille des particules, les facettes cristallines, la porosité et la rugosité de surface, et la densité des défauts et les joints de grain.
Actuellement, il y a peu de recherche sur les mécanismes de dégradation des catalyseurs dans la RRCO₂ à faible température, car on accorde plus d’attention à la résolution d’autres enjeux, comme l’inondation de la cathode causée par une perte d’hydrophobicité du matériau de la EDG. Toutefois, au fil de la résolution de ces enjeux et quand les systèmes d’électrolyse seront exploités à des densités de courant ou à des potentiels plus pertinents sur le plan industriel, la stabilité des catalyseurs deviendra un enjeu plus important. Bien que l’on sache que les impuretés de la phase gazeuse peuvent mener à l’empoisonnement du catalyseur dans les électrolyseurs à haute température, l’effet des impuretés n’a pas fait l’objet d’études importantes dans les systèmes à basse température.

Priorités et prochaines étapes

Les types de produits formés par l’électrolyse du CO₂ auront une incidence considérable sur la viabilité économique de la méthode. Pour que l’électroréduction du CO₂ soit concurrentielle sur le marché, le coût de production d’un produit par la RRCO₂ doit se comparer favorablement à des processus existants ou de substitution, comme le recours à l’électrolyse de l’eau pour produire de l’H₂ qui subit ensuite une réaction thermochimique avec le CO₂. À court terme, il pourrait se révéler avantageux de mettre l’accent sur des produits à forte marge afin de favoriser l’évolution des technologies d’électrolyse du CO₂.
Une des préoccupations principales associées à la mise à l’échelle de tout système de RRCO₂ à un niveau industriel est la dégradation du catalyseur (à cause d’un empoisonnement, d’un mûrissement, d’une déplétion, etc.) après une électrolyse prolongée. La résolution de ce problème, tout en réduisant le coût des matériaux catalyseurs, exige soit de découvrir des catalyseurs qui maintiennent leur stabilité pendant un usage prolongé (peut-être environ 20 000 à 25 000 heures) ou de régénérer le catalyseur de façon rentable. Dans le dernier cas, l’électrolyseur pourrait, par exemple, être vidangé avec un solvant pour éliminer les contaminants ou pour dissoudre et reformer les particules des catalyseurs, mais les autres composantes de l’électrolyseur doivent pouvoir résister à un tel traitement. De plus, tout arrêt du système d’électrolyse pour vidanger et régénérer les catalyseurs aurait une incidence sur la viabilité économique du système.
Des méthodes avancées in situ et in operando — électrochimiques, spectroscopiques (par ex., spectroscopie photoélectrique par rayons X) ou microscopiques (par ex., microscopie électronique, microscopie à potentiel de surface) — sont essentielles pour mieux comprendre les processus de surface où entrent en jeu des catalyseurs dans les électrolyseurs de CO₂ sans égard à la température de fonctionnement. Par exemple, on peut recourir à ces méthodes pour comprendre et surveiller la contamination et la dégradation des catalyseurs, ou pour vérifier l’existence des couches limites triphasées et comprendre si et comment les réactions pertinentes se produisent à ces interfaces. De plus, comme les réactions se produisent parfois à des sites réactionnels minoritaires, il faudra compléter ces méthodes de caractérisation par une modélisation computationnelle et des outils de cinétique chimique améliorés pour avoir une meilleure compréhension cinétique expérimentale de la RRCO₂ dans les systèmes d’électrolyse.

Participants à la table ronde

Curtis Berlinguette, professeur et titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur la conversion de l’énergie solaire, Université de la Colombie-Britannique, et boursier, programme Énergie solaire bioinspirée, CIFAR
Juergen Biener, scientifique, Laboratoire national Lawrence Livermore
Amanda Brown, gestionnaire de programme au laboratoire de Curtis Berlinguette, Université de la Colombie-Britannique
Christopher Capuano, gestionnaire, recherche et développement, Nel Hydrogen
Phil De Luna, directeur de programme, Conseil national de recherches du Canada
Shaffiq Jaffer, vice-président, projets scientifiques et technologiques de l’entreprise, Total S.A, et conseiller, programme Énergie solaire bioinspirée, CIFAR
Feng Jiao, professeur agrégé, Université du Delaware
Parisa Karimi, scientifique, technologie avancée des piles, Hydrogenics
Rainer Küngas, scientifique principal, Haldor Topsoe A/S
Tom Mallouk, professeur, Université de la Pennsylvanie, et boursier, Énergie solaire bioinspirée, CIFAR
Benjamin Mowbray, étudiant diplômé, Université de la Colombie-Britannique
Kenneth Neyerlin, scientifique, Laboratoire national sur les énergies renouvelables
Claudie Roy, agente de recherche, Conseil national de recherches du Canada
Stafford Sheehan, chef de la technologie, The Air Company
Andrej Singer, professeur adjoint, Université Cornell
Wilson Smith, scientifique principal, Laboratoire national sur les énergies renouvelables, et professeur agrégé, Université du Colorado à Boulder
Yogesh Surendranath, professeur agrégé, MIT, et chercheur mondial Azrieli, programme Énergie solaire bioinspirée, CIFAR
John Vohs, professeur, Université de la Pennsylvanie
Haotian Wang, professeur adjoint, Université Rice, et chercheur mondial Azrieli, programme Énergie solaire bioinspirée, CIFAR
Jenny Yang, professeure adjointe, Université de la Californie à Irvine, et chercheuse mondiale Azrieli, programme Énergie solaire bioinspirée, CIFAR

Lectures complémentaires

Ressources du CIFAR :
Optimisation des catalyseurs pour l’électroréduction du CO₂ (compte-rendu de recherche)
Membranes sélectives d’ions dans l’électrolyse du CO₂ (compte-rendu d’événement)
Fabrication de combustibles à l’aide d’eau et de CO₂ : Importance de la stabilisation des catalyseurs à base de nickel hautement réactif dans une solution à pH neutre (compte-rendu de recherche)
Conversion solaire du CO₂ en CO à l’aide d’électrocatalyseurs terrestres abondants préparés par la modification de couches atomiques de CuO (compte-rendu de recherche)

Autres ressources :
Progrès et défis dans la compréhension de la conversion électrocatalytique du dioxyde de carbone en carburants (en anglais), par Yuvraj Birdja et coll.
Électrodes de diffusion de gaz pour la réduction du dioxyde de carbone : Un nouveau paradigme (en anglais), par Drew Higgins et coll.
Réduction électrochimique du CO₂ pour la production de CO : Comparaison de technologies d’électrolyse à basse et haute températures (en anglais), par Rainer Küngas
Progrès et perspectives de la réduction électrochimique du CO₂ sur électrode de cuivre dans un électrolyte aqueux (en anglais), par Stephanie Nitopi et coll.
Cathodes et électrolyseurs durables pour la réduction électrochimique aqueuse efficace du CO₂ (en anglais), par Uzoma Nwabara et coll.

Pour de plus amples renseignements, veuillez communiquer avec
Fiona Cunningham
Directrice, Innovation
CIFAR
fiona.cunningham@cifar.ca

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