Sites Co–Mo confinés dans MoS2 par des lacunes en soufre pour l’hydrogénation du CO2 en formiate à haute efficacité

Transformer un gaz problématique en ingrédient utile

Le dioxyde de carbone (CO2) est un important gaz à effet de serre, mais c’est aussi une matière première riche en carbone. Si l’on parvient à convertir le CO2 en produits utiles de manière efficace et économique, on peut à la fois réduire les émissions et créer de la valeur. Cette étude présente un catalyseur peu coûteux à base de disulfure de molybdène (MoS2) qui, une fois subtilement modifié par des atomes de cobalt, transforme le CO2 et l’hydrogène en formiate — une molécule carbonée simple utilisée dans le textile, le tannage et comme porteur potentiel d’hydrogène pour les énergies propres. Le travail montre comment des ajustements à l’échelle atomique de la structure d’un matériau peuvent considérablement améliorer les performances et la stabilité dans des conditions réalistes.

Pourquoi le formiate et pourquoi les catalyseurs bon marché comptent

Le formiate (parent proche de l’acide formique) est un bloc industriel important et un liquide prometteur pour le stockage d’hydrogène. Aujourd’hui, la production de formiate à partir du CO2 nécessite généralement des catalyseurs contenant des métaux précieux tels que le palladium, l’or, l’iridium ou le ruthénium. Ces métaux sont rares et coûteux, ce qui limite leur déploiement à grande échelle. Des alternatives abondantes en éléments terrestres ont été explorées, mais elles manquent souvent d’activité ou de sélectivité suffisantes pour un usage pratique. Le MoS2, matériau en couches déjà connu en électronique et lubrification, a récemment émergé comme candidat prometteur car des sites « défauts » spécifiques dans sa structure — des endroits où des atomes de soufre sont manquants — peuvent accélérer l’hydrogénation du CO2. Toutefois, créer suffisamment de ces sites très actifs et les protéger de la désactivation par l’oxygène de l’air demeure un défi majeur.

Concevoir de meilleurs sites actifs avec des atomes de cobalt

Les auteurs ont relevé ce défi en insérant des atomes de cobalt isolés dans le réseau de MoS2, en remplaçant certains atomes de molybdène pour obtenir ce qu’ils appellent Co–MoS2. À l’aide de microscopie électronique et d’un ensemble de techniques aux rayons X, ils ont montré que le cobalt n’est pas aggloméré en particules mais dispersé sous forme d’atomes uniques enfermés dans les couches de MoS2. Ces atomes de cobalt intégrés modifient subtilement la liaison locale dans le réseau. En particulier, ils affaiblissent les liaisons entre les atomes métalliques proches et le soufre ou l’oxygène environnants. Dans des conditions de réaction riches en hydrogène, cet affaiblissement facilite l’élimination d’atomes de soufre ou d’oxygène à la surface, créant ou régénérant ainsi les lacunes en soufre qui constituent les véritables « points chauds » catalytiques. En conséquence, le Co–MoS2 expose beaucoup plus de sites actifs que le MoS2 pur, tant le long des bords des couches que sur leurs larges surfaces planes.

Des ajustements structuraux à de meilleures performances

Testé dans un réacteur pressurisé avec CO2 et hydrogène dissous dans une solution de bicarbonate, le catalyseur modifié au cobalt a produit du formiate à un débit de 17,0 millimoles par gramme de catalyseur et par heure, avec une sélectivité supérieure à 99 % vers le formiate à 200 °C. Ce taux est presque trois fois supérieur à celui du MoS2 non modifié et dépasse les performances d’autres catalyseurs à métaux non précieux rapportés pour la même réaction. Surtout, le catalyseur a maintenu son activité sur au moins huit cycles de réaction s’étalant sur 80 heures, et sa structure en nanosheets ainsi que sa phase cristalline sont restées intactes. Des mesures de la quantité d’oxyde nitrique pouvant se lier aux lacunes en soufre ont révélé que Co–MoS2 héberge environ trois à quatre fois plus de ces sites clés que le MoS2 pur après un traitement in situ en hydrogène, reliant directement la modification structurale à la hausse d’activité.

Comment fonctionne le mécanisme à l’échelle atomique

Pour approfondir la chimie, l’équipe a utilisé des simulations informatiques basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Ces calculs ont montré que les sites de lacunes en soufre, tant en bordure qu’en plan, attirent fortement l’oxygène, ce qui explique pourquoi l’exposition à l’air les bloque rapidement. Cependant, lorsque le cobalt remplace le molybdène à proximité d’une lacune, l’interaction entre les atomes métalliques et l’oxygène lié s’affaiblit, réduisant la barrière énergétique pour que l’hydrogène élimine cet oxygène et rouvre le site. Les simulations ont aussi retracé la voie réactionnelle probable du CO2 : aux sites de lacune cobalt–molybdène, le CO2 se lie avec une force modérée et préfère être hydrogéné via un intermédiaire carboxyle (COOH) plutôt que de rompre complètement une liaison carbone–oxygène. Cette voie favorise la formation sélective de formiate au lieu d’autres produits comme le monoxyde de carbone ou le méthane, et elle s’applique de manière similaire aux sites en bordure et en plan basal.

Ce que cela signifie pour les technologies de conversion du CO2

En termes simples, cette étude montre que des « défauts intelligents » peuvent transformer un matériau courant en un catalyseur performant pour convertir le CO2 résiduel en un produit chimique de valeur. En plaçant soigneusement des atomes de cobalt dans le réseau de MoS2, les chercheurs ont créé beaucoup plus de sites actifs capables de résister au contact avec l’air et d’être réactivés pendant l’opération. Le résultat est un catalyseur robuste et sans métaux précieux qui dirige efficacement le CO2 et l’hydrogène vers le formiate avec une grande sélectivité. Au-delà de ce système spécifique, le travail propose une feuille de route générale : en confinant différents atomes étrangers dans des matériaux hôtes pour contrôler la facilité d’ajout ou de retrait d’atomes clés, les scientifiques peuvent concevoir des catalyseurs plus durables et tolérants à l’oxygène pour une large gamme d’applications en énergie propre et chimie verte.

Citation: Wang, Z., Kang, Y., Chen, G. et al. Sulfur vacancy-confined Co-Mo sites in MoS₂ for high-efficiency CO₂ hydrogenation to formate. Nat Commun 17, 3121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69780-8

Mots-clés: hydrogénation du CO2, production de formiate, catalyseur disulfure de molybdène, catalyse monoatomique, valorisation des gaz à effet de serre