Les chercheurs du MIT ont identifié un problème qui tend à limiter les processus chimiques permettant de transformer le dioxyde de carbone en carburant ou en d’autres produits chimiques utiles – et des moyens de résoudre ce problème. Crédit : avec l’aimable autorisation du Varanasi Lab.
Une étude révèle pourquoi certaines tentatives de conversion du gaz à effet de serre en carburant ont échoué, et propose des solutions possibles.
Si les chercheurs trouvaient un moyen de convertir chimiquement le dioxyde de carbone en carburants ou autres produits, ils pourraient réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre. Mais de nombreux procédés de ce type, qui semblaient prometteurs en laboratoire, n’ont pas donné les résultats escomptés dans des formats à plus grande échelle qui pourraient être utilisés dans une centrale électrique ou d’autres sources d’émissions.
Aujourd’hui, les chercheurs de MIT ont identifié, quantifié et modélisé une raison majeure des mauvaises performances de ces systèmes de conversion. Le coupable est un épuisement local du gaz carbonique juste à côté des électrodes utilisées pour catalyser la conversion. L’équipe a découvert que le problème pouvait être résolu en interrompant et en rétablissant le courant à des intervalles spécifiques, ce qui laisse le temps au gaz de se reconstituer aux niveaux nécessaires près de l’électrode.
Les résultats, qui pourraient stimuler les progrès dans le développement d’une variété de matériaux et de conceptions pour les systèmes de conversion électrochimique du dioxyde de carbone, ont été publiés le 11 janvier 2022, dans la revue LangmuirDans un article rédigé par Álvaro Moreno Soto, post-doctorant au MIT, Jack Lake, étudiant diplômé, et Kripa Varanasi, professeur d’ingénierie mécanique.
“L’atténuation du dioxyde de carbone est, je pense, l’un des défis importants de notre époque”, déclare Kripa Varanasi. Alors que la plupart des recherches dans ce domaine se sont concentrées sur la capture et la séquestration du carbone, dans lesquelles le gaz est pompé dans une sorte de réservoir souterrain profond ou converti en un solide inerte tel que le calcaire, une autre voie prometteuse consiste à convertir le gaz en d’autres composés de carbone tels que le méthane ou l’éthanol, à utiliser comme carburant, ou l’éthylène, qui sert de précurseur à des polymères utiles.
Il existe plusieurs façons de réaliser ces conversions, notamment les procédés électrochimiques, thermocatalytiques, photothermiques ou photochimiques. “Chacun de ces procédés présente des problèmes ou des défis”, explique M. Varanasi. Les procédés thermiques requièrent une température très élevée et ne produisent pas de produits chimiques de très grande valeur, ce qui est également un défi pour les procédés activés par la lumière, dit-il. “L’efficacité est toujours en jeu, toujours un problème”.
L’équipe s’est concentrée sur les approches électrochimiques, dans le but d’obtenir des “produits à plus haut C” – des composés qui contiennent plus d’atomes de carbone et qui ont tendance à être des carburants de plus grande valeur en raison de leur énergie par poids ou volume. Dans ces réactions, le plus grand défi a été de limiter les réactions concurrentes qui peuvent avoir lieu en même temps, notamment la division des molécules d’eau en oxygène et en hydrogène.
Les réactions ont lieu lorsqu’un courant d’électrolyte liquide dans lequel est dissous le dioxyde de carbone passe sur une surface métallique catalytique chargée électriquement. Mais au fur et à mesure que le dioxyde de carbone est converti, il laisse derrière lui une zone dans le flux d’électrolyte où il a été essentiellement épuisé, et la réaction dans cette zone appauvrie s’oriente donc vers la séparation de l’eau. Selon les chercheurs, cette réaction indésirable consomme de l’énergie et réduit considérablement l’efficacité globale du processus de conversion.
“Il y a un certain nombre de groupes qui travaillent sur ce sujet, et un certain nombre de catalyseurs qui existent”, dit Varanasi. “Dans tous ces cas, je pense que la coévolution de l’hydrogène devient un goulot d’étranglement”.
L’un des moyens de contrer cet épuisement, ont-ils découvert, peut être réalisé par un système pulsé – un cycle consistant simplement à couper la tension, à arrêter la réaction et à donner au dioxyde de carbone le temps de se répandre à nouveau dans la zone épuisée et d’atteindre à nouveau des niveaux utilisables, puis à reprendre la réaction.
Selon les chercheurs, les groupes ont souvent trouvé des matériaux catalytiques prometteurs mais n’ont pas effectué leurs tests en laboratoire assez longtemps pour observer ces effets d’épuisement, et ont donc été frustrés en essayant d’étendre leurs systèmes. En outre, la concentration de dioxyde de carbone à côté du catalyseur détermine les produits qui sont fabriqués. Par conséquent, l’épuisement peut également modifier le mélange de produits fabriqués et rendre le processus peu fiable. Si vous voulez créer un système qui fonctionne à l’échelle industrielle, vous devez être capable de faire fonctionner les choses sur une longue période”, explique M. Varanasi, “et vous ne devez pas avoir ce genre d’effets qui réduisent l’efficacité ou la fiabilité du système”.processus.”
L’équipe a étudié trois matériaux catalytiques différents, dont le cuivre, et “nous nous sommes vraiment attachés à nous assurer que nous comprenions et puissions quantifier les effets d’épuisement”, explique Lake. Au cours de ce processus, ils ont pu mettre au point un moyen simple et fiable de contrôler l’efficacité du processus de conversion au fur et à mesure qu’il se déroule, en mesurant l’évolution des niveaux de pH, une mesure de l’acidité, dans l’électrolyte du système.
Dans leurs tests, ils ont utilisé des outils analytiques plus sophistiqués pour caractériser les produits de la réaction, notamment la chromatographie en phase gazeuse pour l’analyse des produits gazeux, et la caractérisation par résonance magnétique nucléaire pour les produits liquides du système. Mais leur analyse a montré que la simple mesure du pH de l’électrolyte à côté de l’électrode pendant le fonctionnement pouvait fournir une mesure suffisante de l’efficacité de la réaction au fur et à mesure de son déroulement.
Maintenant que le processus est compris et quantifié, d’autres approches pour atténuer l’épuisement du dioxyde de carbone pourraient être développées, disent les chercheurs, et pourraient facilement être testées en utilisant leurs méthodes.
Ce travail montre, selon Lake, que “quel que soit le matériau de votre catalyseur” dans un tel système électrocatalytique, “vous serez affecté par ce problème.” Et maintenant, en utilisant le modèle qu’ils ont développé, il est possible de déterminer exactement quel type de fenêtre temporelle doit être évalué pour avoir une idée précise de l’efficacité globale du matériau et quel type de fonctionnement du système pourrait maximiser son efficacité.
Référence : “Transient Effects Caused by Gas Depletion during Carbon Dioxide Electroreduction” par Álvaro Moreno Soto, Jack R. Lake et Kripa K. Varanasi, 11 janvier, Langmuir.
DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c02540
Cette recherche a été soutenue par Shell, par le biais de l’initiative énergétique du MIT.
