Les scientifiques ont développé un matériau activé par la lumière qui peut convertir chimiquement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone sans générer de sous-produits indésirables. Cette réalisation marque une étape importante dans le développement d'une technologie qui pourrait aider à générer du carburant et d'autres produits riches en énergie à l'aide d'un catalyseur solaire tout en atténuant les niveaux d'un puissant gaz à effet de serre.

Lorsqu'il est exposé à la lumière visible, le matériel, une structure cristalline organique nickel "spongieuse", converti le dioxyde de carbone (CO2) dans une chambre de réaction exclusivement en monoxyde de carbone (CO) gazeux, qui peuvent ensuite être transformés en carburants liquides, solvants, et d'autres produits utiles.

Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy et de l'Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour a publié les travaux le 28 juillet dans la revue Avancées scientifiques .

"Nous montrons une sélectivité proche de 100 pour cent de la production de CO, sans détection de produits gazeux concurrents comme l'hydrogène ou le méthane, " a déclaré Haimei Zheng, membre du personnel scientifique de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et co-auteur de l'étude. "C'est un gros problème. Dans la réduction du dioxyde de carbone, vous voulez repartir avec un produit, pas un mélange de choses différentes."

Se débarrasser de la concurrence

En chimie, la réduction fait référence au gain d'électrons dans une réaction, tandis que l'oxydation est quand un atome perd des électrons. Parmi les exemples bien connus de réduction du dioxyde de carbone se trouve la photosynthèse, lorsque les plantes transfèrent des électrons de l'eau au dioxyde de carbone tout en créant des glucides et de l'oxygène.

La réduction du dioxyde de carbone a besoin de catalyseurs pour aider à briser les liaisons stables de la molécule. L'intérêt pour le développement de catalyseurs pour la réduction du dioxyde de carbone à l'énergie solaire pour générer des carburants a augmenté avec la consommation rapide de combustibles fossiles au cours du siècle dernier, et avec le désir de sources d'énergie renouvelables.

Les chercheurs se sont particulièrement attachés à éliminer les réactions chimiques concurrentes dans la réduction du dioxyde de carbone.

"La suppression complète du dégagement d'hydrogène concurrent lors d'une conversion photocatalytique de CO2 en CO n'avait pas été réalisée avant nos travaux, " dit Zheng.

Au laboratoire de Berkeley, Zheng et ses collègues ont développé une méthode chimique laser innovante pour créer un matériau composite métal-organique. Ils ont dissous des précurseurs de nickel dans une solution de triéthylène glycol et exposé la solution à un laser infrarouge non focalisé, qui a déclenché une réaction en chaîne dans la solution lorsque le métal a absorbé la lumière. La réaction résultante a formé des composites métal-organiques qui ont ensuite été séparés de la solution.

"Quand nous avons changé la longueur d'onde du laser, nous obtiendrions des composites différents, " a déclaré Kaiyang Niu, co-auteur principal de l'étude, un scientifique des matériaux dans le laboratoire de Zheng. "C'est ainsi que nous avons déterminé que les réactions étaient activées par la lumière plutôt que par la chaleur."

Les chercheurs ont caractérisé la structure du matériau à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Berkeley Lab. Le photocatalyseur nickel-organique avait des similitudes notables avec les charpentes métal-organiques, ou MOF. Alors que les MOF ont une structure cristalline régulière avec des lieurs rigides entre les composants organiques et inorganiques, ce nouveau photocatalyseur incorpore un mélange de liens souples de différentes longueurs reliés au nickel, créer des défauts dans l'architecture.

"Les défauts qui en résultent sont intentionnels, créer plus de pores et de sites où des réactions catalytiques peuvent se produire, " a déclaré Niu. " Ce nouveau matériau est plus actif et hautement sélectif par rapport aux MOF fabriqués par chauffage traditionnel. "

Réduire le CO2 en CO

Les scientifiques de NTU ont testé le nouveau matériau dans une chambre à gaz remplie de dioxyde de carbone, mesurer les produits de réaction en utilisant des techniques de chromatographie en phase gazeuse et de spectrométrie de masse à intervalles de temps réguliers. Ils ont déterminé qu'en une heure à température ambiante, 1 gramme du catalyseur nickel-organique a pu produire 16, 000 micromoles, ou 400 millilitres, de monoxyde de carbone. De plus, ils ont déterminé que le catalyseur avait un niveau de stabilité prometteur qui lui permettait d'être utilisé pendant une période prolongée.

La réduction du dioxyde de carbone par les catalyseurs n'est pas nouvelle, mais d'autres matériaux génèrent généralement plusieurs produits chimiques dans le processus. La production quasi totale de monoxyde de carbone avec ce matériau représentait un nouveau niveau de sélectivité et de contrôle, ont souligné les chercheurs.

Les chercheurs ont quelques réflexions sur la façon dont cette sélectivité se produit. Ils suggèrent que l'architecture de leur photocatalyseur facilite la liaison des anions dioxyde de carbone aux sites de réaction, laissant peu de place aux radicaux hydrogène pour atterrir. Cela limiterait les transferts de protons nécessaires pour former de l'hydrogène gazeux, les chercheurs ont dit.

Les chercheurs ont poussé plus loin le photocatalyseur nickel-organique en l'enrichissant de nanocristaux de rhodium ou d'argent pour créer des acides formique et acétique, respectivement. L'acide formique, trouvé dans le venin de fourmi et les orties, et acide acétique, le composant principal du vinaigre, sont tous deux largement utilisés dans l'industrie. Plus important, les chercheurs ont noté, les molécules de ces produits sont caractérisées par des liaisons bicarbonées, une étape vers la génération de combustibles liquides à plus haute énergie avec plus de liaisons carbone

« Le monde a actuellement besoin de moyens innovants pour créer des alternatives aux combustibles fossiles, et pour endiguer les niveaux de CO2 excessifs dans l'atmosphère, " a déclaré Zheng. " La conversion du CO2 en carburants utilisant l'énergie solaire est un effort de recherche mondial. Le photocatalyseur spongieux nickel-organique que nous avons présenté ici est une étape critique vers la production pratique de carburants multi-carbone de haute valeur utilisant l'énergie solaire. »