KANAZAWA, Japon, 8 juin 2023 /PRNewswire/ — Des chercheurs de l'université de Kanazawa expliquent comment une couche ultra-mince de disulfure d'étain peut être utilisée pour accélérer la réduction chimique du dioxyde de carbone, en vue d'une société neutre en carbone.
Le recyclage du dioxyde de carbone (CO2) émis par les procédés industriels est une nécessité dans la quête urgente de l'humanité pour une société durable et neutre en carbone. C'est pourquoi les électrocatalyseurs capables de convertir efficacement le CO2 en produits chimiques moins nocifs font actuellement l'objet de nombreuses recherches. Les dichalcogénures métalliques bidimensionnels (2D) sont des candidats prometteurs comme électrocatalyseurs pour la conversion du CO2, mais ces matériaux favorisent souvent des réactions concurrentes, réduisant ainsi leur efficacité. Yasufumi Takahashi et ses collègues de l'Institut des sciences de la nanobiologie de l'Université de Kanazawa (WPI-NanoLSI) ont identifié un dichalcogénure métallique bidimensionnel capable de réduire efficacement le CO2 en acide formique, et ce, indépendamment de son origine naturelle. De plus, cette réaction constitue une étape intermédiaire de la synthèse chimique.
Takahashi et ses collègues ont comparé l'activité catalytique du disulfure bidimensionnel (MoS₂) et du disulfure d'étain (SnS₂). Ces deux dichalcogénures métalliques bidimensionnels présentent un intérêt particulier, l'étain pur étant connu pour catalyser la production d'acide formique. Les tests électrochimiques de ces composés ont montré que la réaction de dégagement d'hydrogène (RDH) est accélérée par MoS₂ par rapport à la conversion du CO₂. La RDH, réaction produisant de l'hydrogène, est utile pour la production de carburant hydrogène, mais constitue un processus concurrent indésirable dans le cas de la réduction du CO₂. En revanche, SnS₂ a montré une bonne activité de réduction du CO₂ et a inhibé la RDH. Les chercheurs ont également effectué des mesures électrochimiques sur de la poudre de SnS₂ et ont constaté qu'elle était moins active dans la réduction catalytique du CO₂.
Pour déterminer la localisation des sites catalytiquement actifs dans le SnS₂ et comprendre pourquoi un matériau 2D est plus performant qu'un composé massif, les scientifiques ont utilisé la microscopie électrochimique à cellule de balayage (SECCM). La SECCM, utilisée comme une nanopipette, forme une cellule électrochimique nanométrique en forme de ménisque pour des sondes sensibles aux réactions de surface des échantillons. Les mesures ont révélé que toute la surface de la feuille de SnS₂ était catalytiquement active, et non seulement les éléments de « plateforme » ou de « bord » de la structure. Ceci explique également pourquoi le SnS₂ 2D présente une activité supérieure à celle du SnS₂ massif.
Les calculs permettent de mieux comprendre les réactions chimiques qui se produisent. En particulier, la formation d'acide formique a été identifiée comme une voie réactionnelle énergétiquement favorable lorsque le SnS2 bidimensionnel est utilisé comme catalyseur.
Les résultats de Takahashi et de ses collègues constituent une avancée majeure vers l'utilisation d'électrocatalyseurs bidimensionnels pour la réduction électrochimique du CO2. Les scientifiques précisent : « Ces résultats permettront de mieux comprendre et de développer une stratégie d'électrocatalyse bidimensionnelle à base de dichalcogénures métalliques pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone en hydrocarbures, alcools, acides gras et alcènes, sans effets secondaires. »
Les dichalcogénures métalliques bidimensionnels (2D) sont des matériaux de type MX₂ où M représente un atome métallique, comme le molybdène (Mo) ou l'étain (Sn), et X un atome de chalcogène, comme le soufre (C). Leur structure peut être représentée par une couche d'atomes X reposant sur une couche d'atomes M, elle-même située sur une couche d'atomes X. Les dichalcogénures métalliques bidimensionnels appartiennent à la classe des matériaux bidimensionnels (qui inclut également le graphène), ce qui signifie qu'ils sont minces. Les matériaux 2D présentent souvent des propriétés physiques différentes de celles de leurs homologues massifs (3D).
Les dichalcogénures métalliques bidimensionnels ont été étudiés pour leur activité électrocatalytique dans la réaction de dégagement d'hydrogène (HER), un processus chimique produisant de l'hydrogène. Or, Yasufumi Takahashi et ses collègues de l'Université de Kanazawa ont découvert que le dichalcogénure métallique bidimensionnel SnS₂ ne présente aucune activité catalytique pour la HER ; une propriété cruciale dans le contexte stratégique de cette étude.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta et Yasufumi Takahashi. Plaque 1T/1H-SnS2 pour le transfert électrochimique du CO2, ACS XX, XXX-XXX (2023).
Titre : Expériences de balayage en microscopie électrochimique de cellules pour étudier l'activité catalytique des feuilles de SnS2 afin de réduire les émissions de CO2.
L’Institut de nanobiologie de l’Université de Kanazawa (NanoLSI) a été créé en 2017 dans le cadre du programme du MEXT, un centre de recherche international de premier plan. Ce programme vise à créer un centre de recherche d’excellence mondiale. S’appuyant sur les connaissances les plus pointues en microscopie à sonde à balayage biologique, NanoLSI développe la « nanoendoscopie », une technologie permettant l’imagerie, l’analyse et la manipulation directes des biomolécules afin de mieux comprendre les mécanismes qui régissent des phénomènes vitaux tels que les maladies.
Université généraliste de premier plan située sur la côte de la mer du Japon, l'université de Kanazawa a apporté une contribution majeure à l'enseignement supérieur et à la recherche universitaire au Japon depuis sa fondation en 1949. Elle compte trois facultés et 17 écoles proposant des disciplines telles que la médecine, l'informatique et les sciences humaines.
L'université est située à Kanazawa, ville réputée pour son histoire et sa culture, sur la côte de la mer du Japon. Depuis l'époque féodale (1598-1867), Kanazawa jouit d'un prestige intellectuel indéniable. L'université de Kanazawa est répartie sur deux campus principaux, Kakuma et Takaramachi, et accueille environ 10 200 étudiants, dont 600 étudiants internationaux.
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