Dans un électrolyseur alimenté par du courant électrique (de préférence issu d’une technologie utilisant des énergies renouvelables comme le photovoltaïque), il est possible à la cathode de réduire le CO2 en divers produits (CO, acide formique, méthanol, méthane, éthylène…). En général, il se forme aussi de l’hydrogène provenant de la réduction des protons présents dans les mélanges réactionnels. Ces protons sont essentiels à la réaction, comme cela est montré avec des exemples significatifs. La diversité des produits possibles pose donc la question du contrôle de la sélectivité des réactions. Cependant, ces réactions font l’objet de contraintes cinétiques fortes et doivent être catalysées. La question de la catalyse est centrale à l’électroréduction du CO2. Ces catalyseurs peuvent en effet diminuer les surtensions, améliorer les sélectivités et les efficacités des réactions, et être exploités dans des dispositifs d’électrolyse s’ils sont stables.
Ce cours s’attache à présenter les principaux catalyseurs à l’étude actuellement. Il s’agit tout d’abord des catalyseurs moléculaires solubles, comme les complexes organométalliques de rhodium, de ruthénium ou d’iridium, les complexes carbonyles de rhénium ou de manganèse, les porphyrines de fer, les cyclames de nickel. Certaines méthodes de traitement des données de voltammétrie cyclique et d’électrolyse à potentiel contrôlé, avec des électrodes de carbone ou de mercure présentées dans le cours, permettent de déterminer des constantes de vitesse et des surtensions et donc de comparer les différents catalyseurs de façon quantitative.
On peut également utiliser des électrodes métalliques solides qui assurent à la fois des fonctions de conduction d’électrons et de catalyse. L’exemple le plus étudié est celui des électrodes de cuivre qui ont l’avantage de conduire à des hydrocarbures, avec toutefois de très grandes surtensions. Cependant, des développements récents ont conduit à des électrodes à base de cuivre et d’oxyde de cuivre plus stables, plus efficaces et plus sélectifs.
