Fabriquer des carburants à partir de la lumière du soleil
"Cela fonctionne comme une course de relais parfaitement synchronisée"
L'océan est le plus grand puits de carbone dynamique de la Terre, absorbant 400 millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO₂) par an grâce à un échange continu avec l'atmosphère. Des chercheurs de Yale ont mis au point un système efficace pour extraire et convertir le CO₂ dissous en carburants propres et en matières premières industrielles utiles. Publiée dans Nature Communications, cette avancée pourrait transformer l'eau de mer en une source durable de produits à base de carbone tout en contribuant à équilibrer les niveaux de CO₂ dans les océans.
Le professeur Shu Hu, du département d'ingénierie chimique et environnementale et membre de l'Institut des sciences énergétiques de Yale, a dirigé le projet et décrit le système comme un "système de capture et de conversion du carbone à partir de l'énergie solaire et de l'océan". En d'autres termes, il s'agit de fabriquer des "carburants à partir de la lumière du soleil". L'équipe utilise la lumière du soleil pour transformer le carbone dissous dans l'eau de mer en gaz de synthèse composé de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène. Ce composé polyvalent est un élément essentiel pour la production de produits chimiques et de carburants industriels précieux.
Les efforts précédents visant à exploiter l'énergie solaire pour convertir le carbone dissous dans l'eau de mer en produits utiles se sont heurtés à des difficultés considérables. La concentration extrêmement faible d'ions carbonate dans l'eau de mer rend difficile l'obtention d'un rendement énergétique élevé et la formation sélective de produits. De plus, les réacteurs existants sont limités à des expériences à l'échelle du laboratoire. Outre les catalyseurs, une conception de réacteur capable de fonctionner en continu et à grande échelle est nécessaire pour véritablement utiliser le dioxyde de carbone de l'eau de mer.
En se basant sur l'expertise du groupe Hu dans la conception de la photocatalyse et du réacteur qui maximise l'utilisation de la lumière pour la transformation chimique, ils ont mis au point un nouveau dispositif photoélectrochimique. Celui-ci utilise uniquement la lumière du soleil pour transformer le carbone dissous dans l'eau de mer - principalement le bicarbonate - en gaz de synthèse. Le processus imite le fonctionnement de la photosynthèse dans les écosystèmes océaniques et atteint une efficacité de 0,71 %, ce qui est similaire à l'efficacité de conversion du carbone par les algues marines. Ce qui est encore plus frappant, c'est que l'équipe a découvert que, malgré une concentration de carbonate proche de zéro dans l'eau de mer, la sélectivité de la réaction peut être considérablement influencée par le champ d'écoulement à l'intérieur du réacteur. Dans l'eau de mer statique, la teneur en CO du produit n'était que de 3 %. Cependant, dans les conditions d'écoulement contrôlé à l'intérieur du réacteur, la proportion de CO a grimpé à 21 %.
"Cela fonctionne comme une course de relais parfaitement synchronisée", explique Xiang Shi, co-auteur de l'étude et étudiant de troisième cycle dans le laboratoire de Hu. "L'anode transmet des protons et du CO₂ à la cathode, qui sprinte ensuite vers la ligne d'arrivée - la conversion. Ce travail d'équipe permet de mener à bien l'ensemble de la réaction de manière efficace. Nous y sommes parvenus en concevant le réacteur de manière à ce que le flux passe d'abord par les anodes, où l'eau est oxydée et où des protons sont libérés. Ces protons sont transportés par le flux, déclenchant au passage une cascade de réactions qui convertissent le bicarbonate en CO₂ dissous, lequel est ensuite transporté vers les cathodes en aval et réduit."
Grâce à cette approche, ils ont conçu le processus de transfert de masse de la réaction, en régulant le flux atteignant la surface de l'électrode. De cette manière, ils ont non seulement réussi à éliminer le dioxyde de carbone de l'eau de mer, mais aussi à utiliser la lumière du soleil pour produire du carburant directement à partir de l'océan.
Les chercheurs prévoient ensuite d'affiner la technologie du système et, à terme, de le transformer en un réacteur industriel à grande échelle. La conception modulaire du réacteur permet d'assembler ces cellules d'écoulement en réseaux flottants à l'échelle du mètre carré. Ces réacteurs flottants exploitent les mouvements naturels des marées et les courants océaniques pour faire circuler passivement l'eau de mer dans le système. Lorsque l'eau de mer traverse les réacteurs, ceux-ci convertissent continuellement le CO₂ dissous en gaz de synthèse sous l'effet de la lumière du soleil, qui peut être collecté et transporté vers des installations industrielles pour être utilisé en aval dans la synthèse chimique ou la production de carburant.
"Nous espérons construire des réacteurs flottants à grande échelle en mer afin de pouvoir utiliser directement la lumière du soleil et l'eau de mer pour produire des combustibles solaires", a déclaré M. Hu.
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