Convertir le dioxyde de carbone en carburants et produits chimiques utiles à l’échelle industrielle exige de surmonter un défi chimique fondamental : la molécule de CO₂ est extrêmement stable, et la rupture de ses liaisons carbone-oxygène nécessite de l’énergie. L’électrolyse à haute température, menant la réaction à 800 °C dans une cellule à oxyde solide, a longtemps offert une voie théorique vers l’efficacité, mais les catalyseurs qui accélèrent la réaction ont tendance à se dégrader dans des conditions aussi extrêmes.
Une équipe du Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), de l’Académie chinoise des sciences, a désormais démontré un moyen de stabiliser le catalyseur : ancrer des atomes d’iridium individuels sur une cathode en pérovskite, où ils restent dispersés atomiquement même à 800 °C. Le résultat, publié dans Nature Communications le 18 juillet, est une densité de courant de 3,02 ampères par centimètre carré, parmi les plus élevées jamais rapportées pour l’électrolyse du CO₂, maintenue pendant plus de 600 heures sans dégradation.
Comment ça fonctionne
Le dispositif est une cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC), qui utilise un électrolyte céramique conduisant les ions oxygène à haute température. Du côté de la cathode, le CO₂ est divisé en CO et en ions O²⁻ ; les ions traversent l’électrolyte jusqu’à l’anode, où ils se recombinent en gaz oxygène. La réaction globale est CO₂ → CO + ½O₂.
Le matériau de la cathode est une pérovskite, de l’oxyde de fer et de strontium dopé au lanthane (La₀.₆Sr₀.₄FeO₃₋δ, ou LSF), décorée d’atomes d’iridium individuels. La percée clé réside dans une interaction forte métal-support in situ (SMSI) qui se forme lors de la fabrication et du fonctionnement de la cellule. Cette interaction fait deux choses simultanément : elle verrouille les atomes d’iridium en place, empêchant la migration et l’agglomération atomiques qui tuent normalement les catalyseurs à atomes uniques à haute température, et elle modifie la structure électronique de la surface de la pérovskite pour favoriser la formation de lacunes d’oxygène, les sites actifs où les molécules de CO₂ se lient et réagissent.
Les chiffres
Comparée à la LSF vierge, la cathode décorée d’iridium a augmenté la densité de courant de 80,8 %, passant de 1,67 à 3,02 A/cm² à 1,5 V et 800 °C. L’efficacité faradique, la fraction d’électrons qui aboutissent au produit CO désiré plutôt qu’à des réactions secondaires, était proche de 100 %. La cellule a fonctionné pendant plus de 600 heures sans dégradation mesurable.
À titre de comparaison, les cathodes SOEC de pointe atteignent typiquement 1,0 à 2,5 A/cm² dans des conditions similaires. Le résultat de 3,02 A/cm², combiné à une stabilité exceptionnelle, place ce catalyseur à la frontière de la performance de l’électrolyse du CO₂ à haute température.
Pourquoi la haute température est importante
L’électrolyse du CO₂ à basse température, fonctionnant à température ambiante, atteint typiquement 100–500 mA/cm² et peine face à l’évolution concurrente de l’hydrogène et aux limites de solubilité du CO₂. À 800 °C, plusieurs choses changent : la cinétique de la réaction s’accélère de façon exponentielle, la tension thermodynamique requise diminue (ce qui signifie qu’une partie de l’énergie peut provenir de chaleur bon marché plutôt que d’électricité coûteuse), et la conductivité ionique de l’électrolyte céramique augmente considérablement. Il en résulte un système capable de traiter le CO₂ à des taux bien plus élevés et avec une sélectivité quasi parfaite en CO.
Le produit, du monoxyde de carbone de haute pureté, est une matière première industrielle précieuse qui peut être combinée avec de l’hydrogène vert pour produire du carburéacteur synthétique, du méthanol ou d’autres hydrocarbures, ouvrant une voie vers des carburants neutres en carbone si l’électricité provient de sources renouvelables.
Mises en garde
L’iridium est un métal précieux coûtant environ 150 à 200 dollars le gramme. Même à des niveaux de charge atomique unique, l’économie du passage à l’échelle dépend du maintien d’une teneur en iridium extrêmement faible. Le test de stabilité de 600 heures a été réalisé sur une seule cellule de laboratoire, et non sur un empilement complet, et les dispositifs industriels réels nécessitent 10 000 à 40 000 heures de fonctionnement fiable. La température de fonctionnement de 800 °C exige également des matériaux coûteux pour les joints, les interconnexions et la gestion thermique.
L’article a été accepté et publié sous forme de manuscrit en accès anticipé dans Nature Communications (DOI : 10.1038/s41467-026-75580-x) par S. Zhang, S. Wang, Y. Song, G. Wang, X. Bao et leurs collègues.
Sources
1. S. Zhang, S. Wang, H. Liu et al., « Stable high-valent iridium single atoms for high-temperature CO₂ electrolysis », Nature Communications (2026). DOI : 10.1038/s41467-026-75580-x
Traduit par Lydie