La résonance magnétique nucléaire operando décrypte une liaison proton-électron optimisée par alcalins améliorant la conversion du CO2 en formiate

Transformer un problème climatique en produit utile

Le dioxyde de carbone (CO2) est le principal gaz à effet de serre responsable du changement climatique, mais c’est aussi une matière première bon marché et abondante. Les scientifiques cherchent à convertir le CO2 en produits chimiques utiles en utilisant de l’électricité d’origine renouvelable. Cette étude montre comment une infime quantité de lithium ajoutée à un matériau à base de bismuth rend ce procédé de conversion du CO2 beaucoup plus efficace, et utilise des techniques avancées de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour observer la réaction en temps réel.

Pourquoi la conversion du CO2 est si difficile

Transformer le CO2 en carburants ou en précurseurs chimiques n’est pas aussi simple que d’actionner un interrupteur. Le CO2 est une molécule très stable, et la convertir en produit comme le formiate (un liquide qui peut servir de carburant ou de bloc de construction chimique) exige une coordination précise des déplacements d’électrons et de protons (les atomes d’hydrogène dépourvus d’électron). Si ces mouvements ne sont pas synchronisés, la réaction ralentit ou produit des sous-produits indésirables tels que le dégagement d’hydrogène. Le défi scientifique principal est de concevoir des matériaux catalytiques qui guident électrons et protons le long du bon trajet et à la bonne vitesse.

Un petit ajustement au lithium avec un grand bénéfice

L’équipe s’est concentrée sur un matériau connu pour réduire le CO2, l’oxocarbonate de bismuth. En introduisant délicatement une trace de lithium dans sa structure cristalline, ils ont obtenu un nouveau catalyseur, BOC-Li. Les observations en microscopie et les mesures par rayons X ont montré que la structure globale restait la même, mais que le réseau était légèrement déformé et contenait des défauts subtils, comme des lacunes en oxygène. Ces modifications, provoquées par la présence du lithium à des positions spécifiques, modifient la manière dont la surface interagit avec le CO2 et l’eau. Testé dans une cellule de laboratoire simple, le BOC-Li a converti le CO2 en formiate beaucoup plus efficacement que le matériau d’origine, fournissant des courants plus élevés, une résistance électrique moindre et une part bien plus importante du produit désiré par rapport aux autres gaz.

Suivre les protons et l’oxygène en temps réel

Pour comprendre pourquoi le lithium faisait une telle différence, les chercheurs ont eu recours à la RMN operando, qui permet de suivre les atomes pendant que la réaction a lieu. En utilisant de l’eau et du CO2 contenant des isotopes rares d’hydrogène, d’oxygène et de carbone, ils ont pu distinguer l’origine de chaque atome dans le formiate final. Les signaux RMN ont montré que le BOC-Li produisait environ 21 fois plus de formiate que le matériau non dopé dans les mêmes conditions. Fait crucial, les données ont révélé que la majorité de l’hydrogène dans le formiate provenait de l’eau proche de la surface, et non d’autres ions en solution, et que l’oxygène dérivé de l’eau jouait également un rôle actif. Autrement dit, le lithium contribue à établir une « relève » plus directe où l’eau à la surface du catalyseur apporte protons et oxygène au CO2 de manière étroitement couplée.

Comment le lithium accélère la réaction

Des simulations informatiques ont aidé à expliquer ce comportement. Sur la surface dopée au lithium, à la fois le CO2 et l’eau s’adsorbent plus fortement, en particulier près des petits défauts favorisés par le lithium. L’énergie nécessaire pour rompre une liaison O–H de l’eau et générer un hydrogène réactif diminue sensiblement, ce qui facilite l’approvisionnement en protons. En parallèle, la voie réactionnelle préférentielle implique un intermédiaire où le CO2 est lié par l’oxygène à la surface avant de devenir formiate. Le lithium modifie la structure électronique des atomes voisins de sorte que cet intermédiaire est stabilisé et que l’hydrogène est dirigé vers le CO2 plutôt que de se combiner pour former du gaz hydrogène. Dans des réacteurs en flux pratiques ressemblant à des dispositifs industriels, le catalyseur BOC-Li maintient une sélectivité d’environ 90 % pour le formiate à des densités de courant très élevées, et fonctionne pendant des centaines d’heures avec peu de perte de performance.

Des meilleurs catalyseurs à des cycles énergétiques plus propres

En termes accessibles, ce travail montre qu’en ajoutant une très petite quantité de lithium, on reconfigure le « câblage » d’un catalyseur à base de bismuth pour que les électrons et les protons atteignent le CO2 ensemble, empruntant la voie la plus efficace vers le formiate plutôt que des sous-produits. La combinaison du suivi RMN en temps réel et de la théorie révèle non seulement que le catalyseur fonctionne mieux, mais aussi comment et pourquoi : la réaction puise principalement son hydrogène dans l’eau proche de la surface, et des sites créés par le lithium facilitent la coopération entre l’eau et le CO2. Cette stratégie pourrait guider la conception de catalyseurs de nouvelle génération qui convertissent le CO2 en une gamme de produits chimiques et carburants utiles de manière plus efficace, contribuant à boucler le cycle du carbone dans un futur système énergétique bas carbone.

Citation: Shi, Y., Liu, Y., Dong, H. et al. Operando nuclear magnetic resonance decodes alkali-tuned proton-electron relay boosting CO₂-to-formate conversion. Nat Commun 17, 2136 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68604-z

Mots-clés: électroréduction du CO2, production de formiate, catalyseurs dopés au lithium, RMN operando, transfert couplé proton-électron