Réduction du CO2, Électrocatalyse, Porphyrine de fer, Spectroélectrochimie, Operando

L'industrie chimique représente 10 % de la consommation mondiale d'énergie, principalement dérivée de combustibles fossiles, dont 58 % sont utilisés comme matières premières de carbone, ce qui représente plus de 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) en 2017. Pour parvenir à une réduction significative des émissions de CO2, la réaction de réduction du CO2 (R CO2) est très prometteuse à long terme. La réduction électrochimique du CO2 est un domaine de recherche actif dans le domaine de la capture et de l'utilisation du carbone en tant que voie décarbonée vers des produits chimiques de grande valeur en utilisant des sources d'électricité renouvelables. Le monoxyde de carbone (CO), le méthane (CH4) ou le méthanol (CH3OH) produits à partir de la réduction électrochimique du CO2peuvent être intégrés dans les processus de production chimique industrielle existants, tels que le processus Fischer-Tropsch, pour remplacer les matières premières actuellement dérivées des combustibles fossiles. La conversion électrochimique du CO2 reste un grand défi, surtout si l'on considère que seuls des catalyseurs abondants sur terre devraient être utilisés en vue d'applications futures à grande échelle. Cependant, des connaissances fondamentales sont nécessaires pour mieux comprendre les mécanismes réactionnels qui sont en jeu dans la conversion du CO2. Dans ce contexte, le but ultime de ce projet est le développement de catalyseurs stables et efficaces sur le plan énergétique pour une utilisation dans l'électrolyseur de CO2. Le CO est l'intermédiaire commun à tous les produits de réduction du CO2, y compris le CH3OH, le CH4 (produits C1) et les produits C2+. Par conséquent, la compréhension approfondie de la réduction électrochimique du CO2 en CO est le chemin le plus efficace pour développer la production de carburants et de matières premières chimiques grâce à la conception de catalyseurs moléculaires efficaces et sélectifs. Des décennies d'études électrochimiques ont démontré que les porphyrines de fer (Fe) sont d'excellents catalyseurs homogènes pour l'électroréduction du CO2en CO. Parmi eux, [Fe(pTMA)Cl]Cl4 est l'un des catalyseurs les plus efficaces. Bien que l'électrochimie soit utilisée depuis des décennies pour comprendre les aspects mécanistiques de cette réduction catalytique du CO2 par les porphyrines de fer, le manque de signatures spectroscopiques nous empêche de définir les structures des intermédiaires participant au à la catalyse. Le couplage des spectroscopies et de l'électrochimie (spectroélectrochimie, SEC) est un outil puissant pour élucider ce mécanisme. En particulier, la combinaison de la SEC infrarouge et UV-visible s'est avérée précieuse pour la détection des intermédiaires FeX-CO (X = II, I, 0), facilitant ainsi l'identification des intermédiaires réactionnels cruciaux responsables de la transformation du CO2 en CO. Cette approche a permis de construire un mécanisme détaillé pour la réduction électrocatalytique du CO2 en CO, présenté dans ce manuscrit.