Développement de nouveaux matériaux et d'outils électroanalytiques pour l'étude de la réduction électrochimique du CO[indice inférieur 2]

Abstract

La photosynthèse étant l'exemple le plus connu de la transformation du gaz carbonique, le défi d'amener des systèmes se comportant comme la photosynthèse devient intéressante. Cette idée devient plus intéressante en regardant les produits de réactions. Dans le domaine électrochimique, le laboratoire du Pr. Yoshio Hori présenta plusieurs publications (présentées dans le texte) constituant la base de la recherche dans ce domaine. Il divisa la catalyse des métaux en quatre catégories, c'est-à-dire selon le produit majoritaire formé lors de la réaction de réduction du CO[indice inférieur 2]. Ces analyses furent effectuées lors de tests galvano statiques sur 24 heures. Ce temps peut être diminué en utilisant des méthodes en temps réel. Cette idée de prendre des données en temps réel pour comprendre et développer plus rapidement de nouveaux catalyseurs est appliquée dans ce mémoire à partir de constatations faites à partir des travaux de Hori. Il est possible de voir que le cuivre est le catalyseur le plus actif vers des molécules à valeurs ajoutés les plus diverses et en plus grande quantité que les autres catalyseurs monométalliques. Alors qu'en tant que catalyseur pour la réduction électrochimique du CO[indice inférieur 2], le palladium ne permet pas la formation de produits intéressants pour la revente. Par contre, il démontre une excellente capacité à adsorber et à absorber l'hydrogène. Nous croyons que cette particularité spéciale du palladium serait intéressante comme co-catalyseur dans le cas d'une hydrogénation puisqu'il peut emmagasiner et fournir les protons nécessaires pour la réaction. En le combinant avec le cuivre, selon diverses combinaisons, différents produits pourraient être favorisés. Dans cette recherche, l'analyse par spectrométrie de masse fut utilisée et adapté pour chacun des types de systèmes catalytiques utilisés. La réduction du gaz carbonique se bute traditionnellement à sa concentration limitée en milieu aqueux. Pour surmonter cet obstacle, un électrolyseur en phase gazeuse fut utilisé pour effectuer la réduction du CO[indice inférieur 2] directement de la phase gazeuse. Pour utiliser dans l'électrolyseur, plusieurs catalyseurs à base de palladium, de cuivre et un catalyseur à base de platine ont été synthétisés soit sous forme monométallique ou en catalyseur bimétallique démontrant des phases intermétalliques. Ceci est fait dans le but de voir l'effet de ces métaux électroactifs et de comprendre leur comportement vis-à-vis leurs propriétés électrochimiques monométalliques propres à la réduction électrochimique du gaz carbonique. Une connexion par passage dans un pompage différentiel permit de joindre le spectromètre de masse avec la cellule électrochimique en phase gazeuse (PEMEC/MS). Nous avons pu obtenir un signal reproductible avec ce qui est dans la littérature mais dans la zone d'utilisation inhérent au processus rapporté dans la littérature (corrosion du support de carbone). Ce type de connexion permit d'obtenir des résultats limités en dehors de cette zone car la production d'hydrogène (réaction compétitrice) démontra un effet sur la stabilité en pression du système. Il fut possible de voir que sur le platine, la production d'espèces méthylées fut détectée lors de sa désorption de la surface. Pour rendre le procédé moins énergivore, la modification d'un semi-conducteur par un catalyseur métallique nanométrique fut employée. Des catalyseurs de cuivre plaqué sur p-Si [111] et sur carbone vitreux furent utilisés pour voir l'impact de la modification nanoscopique de la surface par le cuivre. Le cuivre est utilisé ici car il est le métal permettant d'obtenir la meilleure conversion en molécules à valeurs ajoutées. Nous avons adapté une cellule électrochimique pour faire de la photo-électrochimie sur les surfaces que nous avons synthétisées. Pour ce faire, l'utilisation d'un mode convectif pour passer de la surface vers le capteur de spectrométrie de masse rappelle les principes de base de l'électrode à disque et anneau. Pour pouvoir détecter les molécules formées au disque du catalyseur, une rotation fut appliquée sur l'électrode amenant ainsi les molécules vers un capteur ayant une forme annulaire, sur lequel les molécules seront analysées. Sur le capteur, une mince membrane de silicone hydrophobe est installée pour pouvoir séparer la phase aqueuse du vide nécessaire au spectromètre de masse. Cette méthode par perméation au travers d'une membrane permet d'obtenir les molécules neutres et volatiles tout en empêchant l'eau de passer dans l'autre phase trop facilement. En utilisant une surface de platine supporté sur carbone déposé sur du carbone vitreux, nous avons pu obtenir un signal de spectrométrie de masse du CO[indice inférieur 2][indice supérieur +] provenant de l'oxydation d'une monocouche de CO. Ce test est typique pour la vérification du fonctionnement d'une cellule électrochimique et surtout du fonctionnement de la connexion au spectromètre de masse.