Remplissez le formulaire ci-dessous et nous vous enverrons par courriel la version PDF du document intitulé « Nouvelles améliorations technologiques pour convertir le dioxyde de carbone en carburant liquide ».
Le dioxyde de carbone (CO2), produit de la combustion des énergies fossiles et principal gaz à effet de serre, peut être reconverti en carburants utiles de manière durable. La réduction électrochimique représente une voie prometteuse pour convertir les émissions de CO2 en matière première pour la production de carburants. Cependant, pour être commercialement viable, ce procédé doit être amélioré afin de sélectionner ou de produire des composés riches en carbone plus adaptés. Or, comme le rapporte la revue Nature Energy, le Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) a mis au point une nouvelle méthode permettant d'améliorer la surface du catalyseur de cuivre utilisé pour la réaction auxiliaire, augmentant ainsi la sélectivité du procédé.
« Bien que nous sachions que le cuivre est le meilleur catalyseur pour cette réaction, il n'offre pas une sélectivité élevée pour le produit désiré », a déclaré Alexis Spell, chercheur principal au Département des sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur de génie chimique à l'Université de Californie à Berkeley. « Notre équipe a découvert qu'il est possible d'exploiter l'environnement local du catalyseur et d'obtenir ainsi ce type de sélectivité. »
Dans des études précédentes, les chercheurs ont établi des conditions précises permettant de créer un environnement électrique et chimique optimal pour la production de composés riches en carbone à valeur commerciale. Cependant, ces conditions sont contraires à celles qui règnent naturellement dans les piles à combustible classiques utilisant des matériaux conducteurs à base d'eau.
Afin de déterminer la conception adaptée à l'environnement aqueux des piles à combustible, dans le cadre du projet du Centre d'innovation énergétique de l'Alliance Liquid Sunshine du ministère de l'Énergie, Bell et son équipe se sont tournés vers une fine couche d'ionomère. Ce matériau laisse passer certaines molécules chargées (ions) tout en retenant d'autres. Grâce à leurs propriétés chimiques hautement sélectives, les ionomères sont particulièrement adaptés pour agir efficacement sur le microenvironnement.
Chanyeon Kim, chercheuse postdoctorale au sein du groupe Bell et première auteure de l'article, a proposé de recouvrir la surface de catalyseurs de cuivre avec deux ionomères courants, le Nafion et le Sustainion. L'équipe a émis l'hypothèse que cette opération modifierait l'environnement proche du catalyseur — notamment le pH et les concentrations d'eau et de dioxyde de carbone — afin d'orienter la réaction vers la production de composés riches en carbone, facilement convertibles en produits chimiques et en carburants liquides utiles.
Les chercheurs ont appliqué une fine couche de chaque ionomère et une double couche de deux ionomères sur un film de cuivre supporté par un polymère afin de former un film qu'ils ont pu insérer près d'une extrémité d'une cellule électrochimique de forme manuelle. En injectant du dioxyde de carbone dans la cellule et en appliquant une tension, ils ont mesuré le courant total qui la traversait. Ils ont ensuite mesuré les quantités de gaz et de liquide recueillies dans le réservoir adjacent pendant la réaction. Dans le cas du film à deux couches, ils ont constaté que les produits riches en carbone représentaient 80 % de l'énergie consommée par la réaction, contre 60 % pour le film non revêtu.
« Ce revêtement sandwich offre le meilleur des deux mondes : une sélectivité produit élevée et une activité importante », a déclaré Bell. La surface à double couche est non seulement idéale pour les produits riches en carbone, mais elle génère également un courant puissant, ce qui indique une activité accrue.
Les chercheurs ont conclu que l'amélioration de la réponse était due à la forte concentration de CO₂ accumulée dans le revêtement directement sur le cuivre. De plus, les molécules chargées négativement qui s'accumulent à l'interface des deux ionomères réduisent l'acidité locale. Cette combinaison compense les variations de concentration qui tendent à se produire en l'absence de films d'ionomères.
Afin d'améliorer encore l'efficacité de la réaction, les chercheurs ont eu recours à une technologie éprouvée ne nécessitant pas de film ionomère : la tension pulsée. En appliquant une tension pulsée au revêtement ionomère double couche, ils ont obtenu une augmentation de 250 % des produits riches en carbone par rapport au cuivre non revêtu et à une tension statique.
Bien que certains chercheurs axent leurs travaux sur le développement de nouveaux catalyseurs, la découverte de ces derniers ne tient pas compte des conditions opératoires. Le contrôle de l'environnement à la surface du catalyseur constitue une approche nouvelle et différente.
« Nous n’avons pas créé un catalyseur entièrement nouveau, mais nous nous sommes appuyés sur notre compréhension de la cinétique des réactions pour réfléchir à la manière de modifier l’environnement du site catalytique », a déclaré Adam Weber, ingénieur principal. Ce scientifique, spécialisé dans les technologies énergétiques et travaillant aux Laboratoires de Berkeley, est co-auteur des articles publiés.
La prochaine étape consiste à développer la production de catalyseurs revêtus. Les expériences préliminaires de l'équipe du Berkeley Lab ont porté sur de petits systèmes modèles plats, beaucoup plus simples que les structures poreuses de grande surface requises pour les applications commerciales. « Appliquer un revêtement sur une surface plane n'est pas difficile. Mais les méthodes commerciales peuvent impliquer le revêtement de minuscules billes de cuivre », a déclaré Bell. L'ajout d'une seconde couche de revêtement s'avère complexe. Une possibilité est de mélanger et de déposer les deux revêtements ensemble dans un solvant, en espérant qu'ils se séparent à l'évaporation du solvant. Que se passe-t-il s'ils ne se séparent pas ? Bell a conclu : « Il nous faut simplement trouver des solutions plus ingénieuses. » Voir Kim C, Bui JC, Luo X et al. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Cet article est une reproduction du document suivant. Remarque : le document a pu être modifié pour des raisons de longueur et de contenu. Pour plus d’informations, veuillez contacter la source citée.
Date de publication : 22 novembre 2021
