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Vers une révolution verte ? Un gaz à effet de serre commun pourrait être réutilisé de manière efficace et respectueuse de l’environnement, grâce à un électrolyseur qui utilise de l’électricité renouvelable, pour produire des carburants liquides purs.

Ce réacteur catalytique a été mis au point par Haotian Wang, ingénieur en génie chimique et biomoléculaire à la Rice University. Il utilise du dioxyde de carbone comme matière première et, dans son dernier prototype, il produit de l’acide formique hautement purifié et à forte concentration. L’acide formique produit par les dispositifs traditionnels à dioxyde de carbone « nécessite des étapes de purification coûteuses et très gourmandes en énergie », a expliqué Wang.

À l’avenir, selon les scientifiques, la production directe de solutions d’acide formique pur contribuera à promouvoir les technologies commerciales de conversion du dioxyde de carbone !

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Haotian Wang, ingénieur à l’Université Rice, ajuste le réacteur à électrocatalyse construit dans le laboratoire afin de recycler le dioxyde de carbone dans le but d’en produire un combustible liquide. Le réacteur est conçu pour être un moyen efficace et rentable de réutiliser le gaz à effet de serre et de le garder hors de l’atmosphère. Crédits : Jeff Fitlow/Rice University

Wang, qui a rejoint la Brown School of Engineering de Rice en janvier dernier, ainsi que son groupe de chercheurs, étudient les technologies permettant de transformer les gaz à effet de serre en produits utiles. Lors des tests effectués au cours de l’année, le nouvel électrocatalyseur a atteint un rendement de conversion d’énergie d’environ 42% ! Cela signifie que près de la moitié de l’énergie électrique peut être stockée dans de l’acide formique sous forme de carburant liquide. « L’acide formique est un vecteur d’énergie. C’est un combustible capable de générer de l’électricité et d’émettre du dioxyde de carbone – que vous pouvez récupérer et recycler », a déclaré Wang. « C’est également fondamental dans l’industrie du génie chimique en tant que matière première pour d’autres produits chimiques et en tant que matériau de stockage de l’hydrogène pouvant contenir près de 1000 fois l’énergie du même volume d’hydrogène gazeux, ce qui est difficile à compresser. C’est actuellement un grand défi pour les voitures à carburant à hydrogène », a-t-il ajouté.

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Crédits : Jeff Fitlow/Rice University

Selon les chercheurs, notamment l’auteur principal de l’étude et le chercheur postdoctoral de la Rice University, Chuan Xia, se sont deux avancées technologiques majeures qui ont rendu le nouveau dispositif possible.

La première avance consistait à mettre au point un catalyseur au bismuth robuste et bidimensionnel et la seconde à utiliser un électrolyte à l’état solide qui élimiine le besoin de sel dans le cadre de la réaction. « Le bismuth est un atome très lourd, comparé aux métaux de transition comme le cuivre, le fer ou le cobalt. Sa mobilité est beaucoup plus faible, en particulier dans des conditions de réaction. Cela stabilise donc le catalyseur », a déclaré Wang. Ce dernier a également ajouté que le réacteur était structuré de manière à empêcher l’eau d’entrer en contact avec le catalyseur, ce qui contribue également à le préserver.

Grâce à ces avancées technologiques, Xia peut fabriquer des nanomatériaux fortement utiles : « Actuellement, les gens produisent des catalyseurs à l’échelle du milligramme ou du gramme. Mais nous avons mis au point un moyen de les produire au kilogramme ! Cela facilitera la transformation de notre processus pour l’industrie », a-t-il déclaré.

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Ce schéma montre en détails l’électrolyseur mis au point à Rice pour réduire le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, en combustibles de valeur. À gauche, un catalyseur qui sélectionne le dioxyde de carbone et le réduit à un formiate chargé négativement, qui est entraîné à travers une couche de diffusion de gaz (GDL) et la membrane échangeuse d’anions (AEM) dans l’électrolyte central. À droite, un catalyseur de réaction de dégagement d’oxygène (OER) génère des protons positifs à partir de l’eau et les envoie à travers la membrane échangeuse de cations (CEM). Les ions se recombinent en acide formique ou en d’autres produits qui sont extraits du système par de l’eau déionisée (DI) et du gaz. Crédits/Illustrations : Chuan Xia/Demin Liu

L’électrolyte solide à base de polymère est recouvert de ligands d’acide sulfonique pour conduire des charges positives, ou des groupes à fonction amino, pour conduire des ions négatifs. « Habituellement, les gens réduisent le dioxyde de carbone dans un électrolyte liquide traditionnel, comme l’eau salée. Vous voulez que l’électricité soit conduite, mais l’électrolyte d’eau pure est trop résistant. Vous devez ajouter des sels comme le chlorure de sodium ou le bicarbonate de potassium afin que les ions puissent se déplacer librement dans l’eau », a déclaré Wang.

La vitesse à laquelle l’eau traverse la chambre de produit détermine la concentration de la solution. Un débit lent avec la configuration actuelle produit une solution contenant près de 30% (en poids) d’acide formique, tandis que des débits plus rapides permettent une personnalisation de la concentration.

Par la suite, les chercheurs souhaitent atteindre des concentrations encore plus élevées pour les réacteurs de nouvelle génération, acceptant le flux de gaz, dans le but de produire des vapeurs d’acide formique pur.

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Le laboratoire Rice a collaboré avec le laboratoire national de Brookhaven pour visualiser le processus en cours : « La spectroscopie d’absorption des rayons X nous permet de sonder la structure électronique des électrocatalyseurs en fonctionnement, c’est-à-dire pendant le processus chimique », a déclaré le co-auteur de l’étude, Eli Stavitski, responsable scientifique.

« Nous avons suivi les états d’oxydation du bismuth à différents stades de potentiel et avons pu identifier l’état actif du catalyseur lors de la réduction du dioxyde de carbone », a ajouté Stavitski.

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Eli Stavitski, scientifique principal de l’Inner Shell Spectrostopy (ISS) au Laboratoire national de Brookhaven II, utilisant un outil puissant pour sonder les états d’oxydation du bismuth. Crédits : Brookhaven National Laboratory

Grâce au réacteur actuel, le laboratoire a pu générer de l’acide formique en continu pendant 100 heures, avec une dégradation fort négligeable des composants du réacteur (donc, y compris les catalyseurs à l’échelle nanométrique). Wang a suggéré que le réacteur pourrait être facilement ré-outillé pour générer des produits de valeur supérieure tels que l’acide acétique, l’éthanol ou le propanol : « En gros, la réduction du dioxyde de carbone est très importante pour son effet sur le réchauffement planétaire ainsi que pour sa synthèse chimique verte. Si l’électricité provient de sources renouvelables telles que le Soleil ou le vent, nous pouvons créer une boucle qui transforme le dioxyde de carbone en une substance importante sans en émettre plus », a déclaré Wang.

Sources : Nature Energy, Rice University

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