La réduction du dioxyde de carbone (CO₂), principal gaz à effet de serre, en composés utiles est un enjeu scientifique majeur. Le cuivre, notamment sous sa forme oxydée, est reconnu comme un catalyseur efficace pour transformer le CO₂ en produits à plusieurs atomes de carbone, tels que l’éthylène. Cependant, les mécanismes précis de cette transformation, en particulier les premières étapes impliquant des radicaux CO₂, restaient mal compris jusqu’à récemment.

Pour mieux décrypter ces mécanismes, une équipe de chimistes de l’Institut de chimie physique (CNRS/Université Paris Saclay) s’est associée à une équipe de l’Université de science et technologie de Chine. Ils ont utilisé une technique avancée d’irradiation : la radiolyse pulsée1 , qui permet d'observer les réactions chimiques à des échelles de temps extrêmement courtes. Ils ont ainsi étudié le comportement de différentes nanoparticules de cuivre dans des états d’oxydation variés : Cu(0), c’est-à-dire le métal pur, Cu(I) qui forme l’oxyde de cuivre Cu₂O très réactif, et enfin Cu(II), forme la plus oxydée et la plus courante dans la nature.

Les résultats montrent que le cuivre Cu(I) joue un rôle déterminant en accélérant les réactions de couplage des radicaux anions de CO₂. Ce couplage initial est essentiel pour la poursuite du processus de réduction du CO₂ en produits carbonés à plus de deux atomes de carbone, comme l’éthanol ou l’éthylène. En revanche, le cuivre Cu(II) se réduit rapidement en Cu(I) sans participer directement aux réactions de couplage.

Les simulations moléculaires ont confirmé ces observations expérimentales. Elles ont révélé que les interactions entre le cuivre Cu(I) et les radicaux CO₂^-° sont plus fortes et plus stables que celles impliquant Cu(II). Ces résultats permettent de mieux comprendre pourquoi le cuivre oxydé améliore les performances des catalyseurs. De plus, la présence d’oxydes en sous-surface semble jouer un rôle crucial dans la stabilisation des radicaux CO₂^-° et dans l’initiation des réactions.

Ces travaux apportent un éclairage clé pour la conception de catalyseurs performants et économiquement viables pour la valorisation du CO₂. Ceux-ci pourraient permettre une utilisation efficace du CO₂ comme ressource, favorisant ainsi des technologies neutres en carbone et contribuant à la lutte contre le changement climatique.

Rédacteur: AVR

• 1La radiolyse pulsée est une technique expérimentale qui permet d étudier des réactions chimiques extrêmement rapides qui se produisent lorsque des molécules sont exposées à un rayonnement ionisant, comme des électrons à haute énergie ou des rayons gamma. Elle permet de suivre en temps réel les étapes initiales des réactions chimiques, notamment la formation et la transformation d intermédiaires réactifs tels que les radicaux libres.