Un nouveau catalyseur transforme le dioxyde de carbone en produit durable
Des chercheurs créent de l'acide acétique à partir de monoxyde de carbone issu de la capture du carbone
La nécessité de capturer le CO2 et de le transporter en vue d'un stockage permanent ou d'une conversion en utilisations finales de valeur est une priorité nationale récemment identifiée dans la loi bipartisane sur les infrastructures, qui vise à réduire à zéro les émissions de gaz à effet de serre d'ici à 2050.
Des chercheurs de Northwestern ont travaillé avec une équipe internationale de collaborateurs pour créer de l'acide acétique à partir de monoxyde de carbone dérivé du carbone capturé (image symbolique).
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Des chercheurs de l'université Northwestern ont travaillé avec une équipe internationale de collaborateurs pour créer de l'acide acétique à partir de monoxyde de carbone dérivé du carbone capturé. Cette innovation, qui utilise un nouveau catalyseur créé dans le laboratoire du professeur Ted Sargent, pourrait susciter un nouvel intérêt pour le captage et le stockage du carbone.
"Le captage du carbone est aujourd'hui possible d'un point de vue technique, mais pas encore d'un point de vue économique", a déclaré M. Sargent. "En utilisant l'électrochimie pour convertir le carbone capturé en produits ayant des marchés établis, nous fournissons de nouvelles voies pour améliorer ces aspects économiques, ainsi qu'une source plus durable pour les produits chimiques industriels dont nous avons toujours besoin. L'article a été publié le 3 mai dans la revue Nature.
Sargent, l'auteur correspondant de l'article, est professeur de chimie Lynn Hopton Davis et Greg Davis au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur d'ingénierie électrique et informatique à la McCormick School of Engineering. Son équipe a fait ses preuves dans l'utilisation d'électrolyseurs - dispositifs dans lesquels l'électricité fait avancer une réaction chimique souhaitée - pour convertir le carbone capturé en produits chimiques industriels clés, notamment l'éthylène et le propanol.
Bien que l'acide acétique soit surtout connu comme le composant clé du vinaigre ménager, Josh Wicks, l'un des quatre co-auteurs principaux de l'article et récemment titulaire d'un doctorat de l'université de Toronto, a déclaré que cette utilisation ne représentait qu'une petite partie de ce à quoi il servait.
"L'acide acétique contenu dans le vinaigre doit provenir de sources biologiques via la fermentation, car il est consommé par l'homme", explique M. Wicks. "Mais environ 90 % du marché de l'acide acétique sert de matière première pour la fabrication de peintures, de revêtements, d'adhésifs et d'autres produits. La production à cette échelle est principalement dérivée du méthanol, qui provient de combustibles fossiles.
Les bases de données d'évaluation du cycle de vie ont montré à l'équipe que pour chaque kilogramme d'acide acétique produit à partir de méthanol, le processus rejette 1,6 kg de CO2.
Leur méthode alternative repose sur un processus en deux étapes : tout d'abord, leCO2 gazeux capturé passe par un électrolyseur, où il réagit avec de l'eau et des électrons pour former du monoxyde de carbone (CO). Le CO gazeux passe ensuite dans un second électrolyseur, où un autre catalyseur le transforme en diverses molécules contenant deux atomes de carbone ou plus.
"L'un des principaux défis auxquels nous sommes confrontés est la sélectivité", explique M. Wicks. "La plupart des catalyseurs utilisés pour cette deuxième étape facilitent plusieurs réactions simultanées, ce qui conduit à un mélange de différents produits à deux atomes de carbone qu'il peut être difficile de séparer et de purifier. Ce que nous avons essayé de faire ici, c'est de mettre en place des conditions qui favorisent un produit par rapport à tous les autres".
Vinayak Dravid, autre auteur principal de l'article et professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux, est le directeur fondateur du Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center, qui a permis à l'équipe d'accéder à diverses capacités de mesure des matériaux à l'échelle atomique et électronique.
"Les problèmes de recherche modernes sont complexes et multiformes et nécessitent des capacités diverses mais intégrées pour analyser les matériaux jusqu'à l'échelle atomique", a déclaré M. Dravid. "Des collègues comme Ted nous posent des problèmes difficiles qui stimulent notre créativité pour développer de nouvelles idées et des méthodes de caractérisation innovantes".
L'analyse de l'équipe a montré que l'utilisation d'une proportion beaucoup plus faible de cuivre (environ 1 %) par rapport aux catalyseurs précédents favoriserait la production d'acide acétique uniquement. Elle a également montré que l'augmentation de la pression à 10 atmosphères permettrait à l'équipe d'atteindre une efficacité record.
Dans l'article, l'équipe fait état d'une efficacité faradique de 91 %, ce qui signifie que 91 électrons sur 100 pompés dans les électrolyseurs aboutissent au produit souhaité, en l'occurrence l'acide acétique.
"Il s'agit de l'efficacité faradique la plus élevée pour un produit multi-carbone à une densité de courant évolutive que nous ayons vue", a déclaré M. Wicks. "Par exemple, les catalyseurs ciblant l'éthylène atteignent généralement un maximum de 70 à 80 %.
Le nouveau catalyseur semble également relativement stable : alors que l'efficacité faradique de certains catalyseurs a tendance à se dégrader avec le temps, l'équipe a montré qu'elle restait à un niveau élevé de 85 %, même après 820 heures de fonctionnement.
M. Wicks espère que les éléments qui ont permis à l'équipe de réussir - notamment un nouveau produit cible, une pression de réaction légèrement accrue et une proportion plus faible de cuivre dans le catalyseur - inciteront d'autres équipes à sortir des sentiers battus.
"Certaines de ces approches vont à l'encontre des idées reçues dans ce domaine, mais nous avons montré qu'elles pouvaient très bien fonctionner", a-t-il déclaré. "À un moment donné, nous devrons décarboniser tous les éléments de l'industrie chimique, donc plus nous aurons de voies différentes pour obtenir des produits utiles, qu'il s'agisse d'éthanol, de propylène ou d'acide acétique, mieux ce sera.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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