La plupart des voitures et des camions aux États-Unis fonctionnent avec un mélange de 90 pour cent d'essence et de 10 pour cent d'éthanol, un carburant renouvelable fabriqué principalement à partir de maïs fermenté. Mais pour produire les 14 milliards de gallons d'éthanol consommés chaque année par les conducteurs américains, il faut des millions d'acres de terres agricoles.

Une découverte récente par des scientifiques de l'Université de Stanford pourrait conduire à une nouvelle, façon plus durable de produire de l'éthanol sans maïs ni autres cultures. Cette technologie prometteuse comporte trois composantes de base :l'eau, du dioxyde de carbone et de l'électricité délivrés par un catalyseur en cuivre. Les résultats sont publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

"L'un de nos objectifs à long terme est de produire de l'éthanol renouvelable d'une manière qui n'affecte pas l'approvisionnement alimentaire mondial, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Thomas Jaramillo, professeur agrégé de génie chimique à Stanford et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory.

Les scientifiques aimeraient concevoir des catalyseurs au cuivre qui convertissent sélectivement le dioxyde de carbone en produits chimiques et carburants de plus grande valeur, comme l'éthanol et le propanol, avec peu ou pas de sous-produits. Mais ils ont d'abord besoin d'une compréhension claire du fonctionnement réel de ces catalyseurs. C'est là qu'interviennent les récentes découvertes.

Cristaux de cuivre

Pour le PNAS étudier, l'équipe de Stanford a choisi trois échantillons de cuivre cristallin, connu sous le nom de cuivre (100), cuivre (111) et cuivre (751). Les scientifiques utilisent ces nombres pour décrire les géométries de surface des monocristaux.

"Cuivre (100), (111) et (751) semblent pratiquement identiques mais présentent des différences majeures dans la manière dont leurs atomes sont disposés à la surface, " a déclaré Christopher Hahn, chercheur associé au SLAC et co-auteur principal de l'étude. "L'essence de notre travail est de comprendre comment ces différentes facettes du cuivre affectent les performances électrocatalytiques."

Dans les études précédentes, les scientifiques avaient créé des électrodes de cuivre monocristallines de seulement 1 millimètre carré.

"Avec un si petit cristal, il est difficile d'identifier et de quantifier les molécules qui sont produites à la surface, " Hahn a expliqué. "Cela conduit à des difficultés dans la compréhension des réactions chimiques, notre objectif était donc de fabriquer des électrodes de cuivre plus grandes avec la qualité de surface d'un monocristal."

Pour créer des échantillons plus gros, Hahn et ses collègues du SLAC ont développé une nouvelle façon de faire pousser du cuivre de type monocristallin sur de grandes plaquettes de silicium et de saphir.

"Ce que Chris a fait était incroyable, " a déclaré Jaramillo. "Il a fait des films de cuivre (100), (111) et (751) avec des surfaces de 6 centimètres carrés. C'est 600 fois plus gros que les monocristaux typiques.

Performances catalytiques

Pour comparer les performances électrocatalytiques, les chercheurs ont placé les trois grandes électrodes dans l'eau, les ont exposés au dioxyde de carbone gazeux et ont appliqué un potentiel pour générer un courant électrique.

Les résultats étaient clairs. Lorsqu'une tension spécifique a été appliquée, les électrodes en cuivre (751) étaient beaucoup plus sélectives vis-à-vis des produits liquides, comme l'éthanol et le propanol, que ceux en cuivre (100) ou (111). L'explication réside peut-être dans les différentes manières dont les atomes de cuivre sont alignés sur les trois surfaces.

"En cuivre (100) et (111), les atomes de surface sont serrés les uns contre les autres, comme une grille carrée et un nid d'abeilles, respectivement", a déclaré Hahn. "En conséquence, chaque atome est lié à de nombreux autres atomes autour de lui, et cela tend à rendre la surface plus inerte."

Mais en cuivre (751), les atomes de surface sont plus éloignés les uns des autres.

"Un atome de cuivre (751) n'a que deux plus proches voisins, " dit Hahn. " Mais un atome qui n'est pas lié à d'autres atomes est assez malheureux, et cela lui donne envie de se lier plus fort aux réactifs entrants comme le dioxyde de carbone. Nous pensons que c'est l'un des facteurs clés qui conduisent à une meilleure sélectivité vers des produits à plus forte valeur ajoutée, comme l'éthanol et le propanol."

Finalement, l'équipe de Stanford souhaite développer une technologie capable de produire sélectivement des carburants et des produits chimiques neutres en carbone à l'échelle industrielle.

"L'objectif du prix est de créer de meilleurs catalyseurs qui ont un potentiel révolutionnaire en prenant le dioxyde de carbone comme matière première et en le convertissant en produits beaucoup plus précieux en utilisant directement l'électricité renouvelable ou la lumière du soleil, " a déclaré Jaramillo. "Nous prévoyons d'utiliser cette méthode sur le nickel et d'autres métaux pour mieux comprendre la chimie à la surface. Nous pensons que cette étude est une pièce importante du puzzle et ouvrira de toutes nouvelles voies de recherche pour la communauté. »

Jaramillo est également directeur adjoint du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un partenariat de la Stanford School of Engineering et du SLAC.

L'étude a également été rédigée par le co-auteur principal Toru Hatsukade, Drew Higgins et Stephanie Nitopi à Stanford; Youn-Geun Kim au SLAC ; et Jack Baricuatro et Manuel Soriaga au California Institute of Technology.