Des scientifiques de l’université de Cornell ont réutilisé l’équation de Cottrell, vieille de 120 ans, pour comprendre les réactions que subit le dioxyde de carbone lorsqu’il est soumis à l’électrochimie, dans le but de convertir le gaz en produits utiles. Les chercheurs pensent que l’équation classique peut aider les électrochimistes à contrôler les réactions pour créer des produits souhaitables comme l’éthylène, l’éthane ou l’éthanol, transformant ainsi un problème environnemental en une ressource renouvelable.
Des scientifiques de l’université Cornell ont revisité une équation électrochimique vieille d’un siècle, l’équation de Cottrell, pour faciliter la conversion du dioxyde de carbone atmosphérique en un produit fonctionnel et la gestion de ce gaz à effet de serre.
Cette équation, qui porte le nom du chimiste Frederick Gardner Cottrell qui l’a élaborée en 1903, est aujourd’hui un outil précieux pour les chercheurs modernes. En appliquant l’électrochimie dans un environnement de laboratoire contrôlé, les scientifiques peuvent mieux comprendre les diverses réactions que peut subir le dioxyde de carbone.
La réduction électrochimique du dioxyde de carbone offre la possibilité de transformer ce gaz, qui constitue un fardeau pour l’environnement, en une matière première pour les produits chimiques ou en un moyen de stocker l’électricité renouvelable sous forme de liaisons chimiques, comme le fait la nature.
Leurs travaux ont été publiés dans la revue ACS Catalysis.
Les L’équation de Cottrell est une équation fondamentale en électrochimie qui décrit comment le courant associé à la réduction ou à l’oxydation d’une espèce redox diminue avec le temps pendant la chronoampérométrie, une technique dans laquelle le potentiel entre une électrode de travail et une électrode de référence est brusquement modifié et le courant qui en résulte est mesuré au cours du temps. Nommée d’après Frederick Gardner Cottrell, cette technique établit que le courant est inversement proportionnel à la racine carrée du temps, à condition que la diffusion soit le seul mode opératoire de transport de masse.
« Pour le dioxyde de carbone, mieux nous comprenons les voies de réaction, mieux nous pouvons contrôler la réaction – ce que nous voulons à long terme », a déclaré l’auteur principal, Rileigh Casebolt DiDomenico, étudiante en doctorat de génie chimique à Cornell, sous la direction du professeur Tobias Hanrath.
« Si nous avons un meilleur contrôle sur la réaction, nous pouvons produire ce que nous voulons, quand nous le voulons », a déclaré DiDomenico. « L’équation de Cottrell est l’outil qui nous permet d’y parvenir.
L’équation permet à un chercheur d’identifier et de contrôler les paramètres expérimentaux pour prendre du dioxyde de carbone et le convertir en produits carbonés utiles tels que l’éthylène, l’éthane ou l’éthanol.
De nombreux chercheurs utilisent aujourd’hui des méthodes de calcul avancées pour fournir une image atomistique détaillée des processus à la surface du catalyseur, mais ces méthodes impliquent souvent plusieurs hypothèses nuancées, ce qui complique la comparaison directe avec les expériences, a déclaré l’auteur principal Tobias Hanrath.
« La magnificence de cette vieille équation réside dans le fait qu’elle comporte très peu d’hypothèses », a déclaré Tobias Hanrath. « Si l’on ajoute des données expérimentales, on obtient un meilleur sens de la vérité. C’est un vieux classique. C’est la partie que j’ai trouvée magnifique ».
DiDomenico a déclaré : « Parce qu’elle est plus ancienne, l’équation de Cottrell est une technique oubliée : « Parce qu’elle est plus ancienne, l’équation de Cottrell a été une technique oubliée. C’est un classique de l’électrochimie. Le simple fait de la remettre au premier plan dans l’esprit des gens a été une bonne chose. Et je pense que cette équation aidera d’autres électrochimistes à étudier leurs propres systèmes ».
Référence : « Mechanistic Insights into the Formation of CO and C2 Products in Electrochemical CO2 Reduction─The Role of Sequential Charge Transfer and Chemical Reactions » par Rileigh Casebolt DiDomenico, Kelsey Levine, Laila Reimanis, Héctor D. Abruña et Tobias Hanrath, 27 mars 2023, ACS Catalysis.
DOI : 10.1021/acscatal.2c06043
L’étude a été financée par la National Science Foundation, un Cornell Energy Systems Institute-Corning Graduate Fellowship et la Cornell Engineering Learning Initiative.