Etrange nature du dioxyde de carbone dans les carbonates fondus

Technologiquement, ils sont utilisés comme électrolyte dans des piles à combustibles, dites « Molten Carbonate Fuel Cells » connues pour leur grande efficacité. Tout particulièrement intéressant est alors leur capacité à dissoudre le CO2, plus grande de plusieurs ordres de grandeur que celle d’autres liquides.

Pour comprendre cette propriété remarquable, des chercheurs du laboratoire PASTEUR (CNRS/ENS/UPMC) et de l’IRCP (ChimieParis/CNRS) ont simulé la dynamique d’une molécule de CO2 dans un bain d’ions carbonates et d’ions calcium à haute température, 1500 °C. Ce qu’ils ont alors observé les a surpris.

Le système est apparu comme étant le siège d’échanges chimiques rapides, moins de 10-12 s, 1 millième de milliardième de seconde, qui conduit à un changement incessant de l’identité de la molécule de CO2. Tout se passe comme si la molécule de CO2 était le porteur du bâton dans une course de relais, dont l’identité change à chaque transmission du témoin. Les chercheurs ayant mené cette étude montrent alors que la diffusion du dioxyde de carbone est accélérée d’un facteur trois par ce mécanisme.
Un tel mécanisme est connu pour décrire la conductivité des solutions acides, mécanisme de Grotthus qui fait toujours l’objet d’études pour en décrire les mécanismes intimes. Le mécanisme observé pour la diffusion de CO2 dans les carbonates fondus y est en tout point analogue avec en particulier l’apparition d’une nouvelle espèce chimique au moment du passage de témoin, l’ion O2-, entre la molécule de CO2 et un ion carbonate. Cette étude montre donc que ce mécanisme est plus général que ce qui était jusqu’alors pensé et que la notion d’espèce chimique peut être parfois très complexe et dynamique. Au sein de PSL, un groupe de chercheurs, dont les chercheurs de cette étude font partie, cherchent à valoriser le CO2 par électrochimie dans les carbonates fondus. Cette étude montrant l’affinité particulière du CO2 pour les carbonates fondus est très encourageante pour poursuivre cette voie de recherche.

Référence
Dario Corradini, François-Xavier Coudert & Rodolphe Vuilleumier
Carbon dioxide transport in molten calcium carbonate occurs through an oxo-Grotthuss mechanism via a pyrocarbonate anion
Nature Chemistry, advance online publication, DOI : 10.1038/nchem.2450 (29 février 2016)

Légende : Espèces présentes en solution : polycarbonate C2O52- (mauve), CO32- (cyan et rouge) et les ions Ca2+ (vert). © R. Vuilleumier 


Contacts Chercheurs
Rodolphe Vuilleumier, Laboratoire « Processus d’activation sélectif par transfert d’énergie uni-électronique ou radiatif » – Paris
Courriel : Rodolphe.vuilleumier@ens.psl.eu 

François-Xavier Coudert, Institut de Recherche de Chimie Paris
Courriel : fx.coudert@chimie-paristech.fr