Cartographie et ingénierie du recyclage du CO2 par électrocatalyse à l'échelle atomique

Un élément essentiel pour parvenir rapidement à une société neutre en carbone est le recyclage efficace du CO2 émis par la production du ciment, de l’ammoniac, du pétrole, de l’aluminium, de l’acier et les industries associées, qui génèrent actuellement environ 21% de tous les gaz à effet de serre. Le CO2 peut être capté à la source et stocké à des densités d’énergie élevées via l’électrocatalyse du CO2 en produits d’hydrocarbures. Bien que prometteuse, l’électrocatalyse au CO2 n’a pas encore la stabilité et l’efficacité énergétique nécessaires pour en faire une technologie commercialement viable.

L’objectif de ce projet est de faire progresser le «recyclage du CO2 par électrocatalyse» grâce à une cartographie et une ingénierie de pointe de ses principaux centres de réaction à l’échelle atomique. Le cuivre est universellement reconnu comme étant de loin l’électrocatalyseur CO2-carburant le plus efficace. Cependant, ses mécanismes de réaction sont encore mal connus. Nous utiliserons une combinaison d’imagerie à l’échelle atomique in-operando, de modélisation atomistique et d’apprentissage automatique pour résoudre pour la première fois les sites actifs de l’électrocatalyse CO2-carburant. Plus précisément, notre microscope à force atomique, qui est unique, image et caractérise directement les sites actifs sur le cuivre et la structure de solvatation électrolytique environnante pendant la transformation du CO2 avec une résolution à l’échelle atomique. En utilisant la modélisation ab-initio, nous tenterons de comprendre les améliorations produites par l’électrolyte dans l’électrocatalyse CO2-carburant basées sur des structures de solvatation d’électrolyte interfaciales locales, déterminées expérimentalement. Nous étudierons expérimentalement et théoriquement l’impact des impulsions anodiques, de l’ingénierie des électrolytes et de l’alliage près de la surface dans le but d’allonger considérablement la durée de vie des cathodes de cuivre. Avec les méthodes d’apprentissage automatique et de Big-Data, nous détermineront  le fonctionnement à grande échelle et à longue échéance de l’électrocatalyse CO2-carburant, ouvrant ainsi de nouvelles voies vers l’amélioration de l’efficacité et de la stabilité des systèmes.

Ce projet formera une nouvelle génération de stagiaires venant de tous les secteurs de la société et ayant des compétences multidisciplinaires couvrant la science des surfaces, l’électrochimie, les systèmes de contrôle, le développement de logiciels, la modélisation informatique, l’ingénierie des matériaux, la catalyse, l’intelligence artificielle et la conception de systèmes. Ce projet positionnera ainsi le Québec à l’avant-garde des technologies de capture du CO2 et ouvrira un vaste éventail de possibilités commerciales. Surtout, ce projet renforcera de manière significative la contribution du Québec au développement d’un paradigme énergétique mondial durable.