Comprendre la gestion de l'eau dans le recyclage du CO2 grâce aux neutrons : des micro-pauses pour les électrolyseurs
Une étude récente utilise l'imagerie neutronique à haute résolution à l'ILL pour examiner la dynamique de l'eau dans les cellules d'électrolyse du dioxyde de carbone. Récemment publiée dans la revue ACS Energy Letters, l'étude a maintenant été sélectionnée comme highlight dans Nature Catalysis.
Le réchauffement climatique et la crise environnementale dus aux activités anthropiques exigent la mise en œuvre rapide de mesures visant à réduire l'empreinte carbone mondiale. La capture et le recyclage du dioxyde de carbone (CO2) par réduction électrochimique (électrolyse) peuvent jouer un rôle crucial dans la décarbonisation de la production de produits chimiques de base.
Bien que plusieurs voies de transformation soient explorées, l'électrolyse du CO2 ciblant le monoxyde de carbone comme produit de réaction est proche de la viabilité commerciale, les électrolyseurs de pointe atteignant des performances élevées. Les électrolyseurs dits "à zero gap" avec une membrane échangeuse d'anions (MEA) - voir l'encadré - correspondent à la configuration de cellules d'électrolyses les plus proches des exigences commerciales. Cependant, ces dispositifs souffrent encore de problèmes de fonctionnement principalement dus à l'accumulation de précipités de sels de carbonate au niveau de la cathode et à l'inondation de l'électrode.
Une étude récemment publiée examine le transport de l'eau dans un électrolyseur de CO2 pendant son fonctionnement. L'instrument NeXT de l'ILL a été utilisé pour obtenir des images neutroniques à haute résolution du contenu en eau de la cellule (avec une taille de pixel de 4,2 μm) en couplant les données radiographiques avec les performances électrochimiques globales. L'influence de l'humidification du gaz a été étudiée, et le fonctionnement pulsé est comparé au fonctionnement à courant constant dans des mesures de 100 heures.
"Il s'agit de la première analyse opératoire quantitative de la gestion de l'eau dans un électrolyseur de CO2 par imagerie neutronique à haute résolution dans des conditions de travail industriellement pertinentes", déclare Joey Disch (Université de Fribourg, Allemagne), qui a dirigé le projet, ajoutant : "Les études opératoires jouent un rôle essentiel dans la compréhension des électrolyseurs de CO2 et l'imagerie neutronique est une excellente méthode pour l'étude opératoire de la dynamique de l'eau"
"Pour distinguer la distribution de l'eau au voisinage de la membrane de 20 μm d'épaisseur, l'un des principaux défis était d'atteindre une résolution spatiale d'environ 6 μm le long de la direction traversante de l'assemblage de la membrane, tout en fournissant suffisamment de neutrons pour obtenir une résolution temporelle décente de l'ordre de 10 s", explique Lukas Helfen, scientifique à l'ILL et co-responsable de NeXT.
"En plus d'une configuration neutronique optimisée, un dispositif de cellule d'électrolyse personnalisé de l'Université de Fribourg a été utilisé, avec une largeur plus petite et donc une surface plus petite, afin de réduire le durcissement du faisceau et d'autres effets de dégradation de l'image", explique Alessandro Tengattini, également co-responsable de NeXT, soulignant que "chaque composant de la cellule d'électrolyse peut être identifié distinctement dans les images neutroniques."
L'essentiel sur les cellules d'électrolyse de CO₂
Un électrolyseur de CO2 est une cellule conçue pour la réduction électrochimique du CO2 en divers produits, selon le type de cellule. Ici, nous considérons la réduction du CO2 en CO, un gaz utilisé comme matière première dans plusieurs processus de fabrication de produits chimiques industriels et en métallurgie. Le cœur des électrolyseurs est constitué de deux électrodes pressées contre une membrane. Le CO2 est introduit dans la couche de diffusion de gaz et réduit à la cathode pour former les produits à valeur ajoutée. Une solution aqueuse de carbonate est introduite dans le compartiment anodique où elle est oxydée et de l'oxygène est produit. La membrane facilite le transport des ions entre la cathode et l'anode tout en empêchant le passage des réactifs ou des produits. Il existe différents types de membranes, selon le type de cellule.
Les membranes échangeuses d'anions (MEA) transportent les anions (tels que l'hydroxyde, OH-) de la cathode vers l'anode. Dans les cellules "à zero gap", il n'y a pas d'espace entre la cathode, la membrane et l'anode, ce qui diminue la distance pour le transport des ions. L'efficacité dépend des électrodes, de la membrane et du catalyseur utilisés, ainsi que des conditions de réaction.
La gestion de l'eau dans un électrolyseur est influencée par l'apport ou le retrait continu d'eau via l'alimentation en gaz, la diffusion vers la cathode, la consommation dans les réactions à la cathode et le transport vers l'anode. La quantité d'eau dans la membrane échangeuse d'ions est cruciale pour les performances : un manque d'eau réduit le transport des ions, un excès entrave l'apport de CO2 à la couche de catalyseur.
Il a été précédemment constaté qu'une stratégie pour augmenter la stabilité est le fonctionnement pulsé de l'électrolyseur : l'application répétée d'un potentiel, avec de brèves périodes de repos entre les deux, atténue la précipitation de sel et prolonge la durée de vie opérationnelle.
"Le fonctionnement pulsé s'est avéré avoir une influence sur la gestion de l'eau à l'intérieur de la cellule – pendant les périodes de repos, les réactions électrochimiques consommatrices d'eau à la cathode et le transport à travers la membrane sont tous deux arrêtés. Cependant, l'effet devait encore être étudié ", déclare Luca Bohn (Université de Fribourg, Allemagne), le premier auteur de l'étude.
La cellule a été utilisée à la fois en courant constant et en électrolyse pulsée, avec des pauses d'une minute après chaque période de fonctionnement de 10 minutes, sous 34 % et 100 % d'humidité relative (HR). "Les résultats démontrent que le fonctionnement pulsé augmente la stabilité, même avec de faibles concentrations d'électrolyte ", révèle L. Bohn, concluant : " Pendant la période de repos, le fonctionnement pulsé introduit de l'eau supplémentaire à la cathode, ce qui facilite l'élimination des précipités de sel et atténue l'inondation incontrôlée de l'électrode ", conclut L. Bohn.
La cellule a été utilisée à la fois en courant constant et en électrolyse pulsée, avec des pauses d'une minute après chaque période de fonctionnement de 10 minutes, sous 34 % et 100 % d'humidité relative (HR). "Les résultats démontrent que le fonctionnement pulsé augmente la stabilité, même avec de faibles concentrations d'électrolyte", révèle L. Bohn, concluant : "Pendant la période de repos, le fonctionnement pulsé introduit de l'eau supplémentaire au niveau la cathode, ce qui facilite l'élimination des précipités de sel et atténue l'inondation incontrôlée de l'électrode ", conclut L. Bohn.
En effet, les neutrons ont montré que pendant les brèves périodes de repos, la quantité d'eau au niveau de la cathode augmente, en particulier à une humidité relative plus élevée, ce qui dissout les précipités de carbonate, empêchant ainsi leur accumulation. Bien qu'une efficacité élevée soit continuellement atteinte à une humidité relative plus faible, le transport du CO2 est limité à 100 % d'humidité relative en raison de l'augmentation de la teneur en eau. En courant constant, en revanche, de multiples événements d'inondation sont observés, en particulier sous une forte humidification.
Les chercheurs soulignent que l'optimisation des paramètres de la stratégie de pulsation et de l'électrolyte pourrait encore conduire à des améliorations de performance. Des paramètres tels que le potentiel pendant la période de repos, le timing des pulsations et différentes formes d'onde devraient être explorés. Plus important encore, la transférabilité de la stratégie aux piles de cellules d'électrolyses devrait être étudiée. Le travail publié maintenant est une première étape plutôt qu'une étape finale.
Référence: High-Resolution Neutron Imaging of Water Transport in CO2 Electrolysis during Pulsed Operation
ACS Energy Lett. 2025, 10, 2, 975–981
DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03003
Research Highlight in Nature catalysis: Pulsed electrolysis through neutron lenses
instrument ILL: NeXT
Contacts ILL: L.Helfen and A.Tengattini