Illustration de 'la photosynthèse artificielle, ' un processus par lequel la lumière du soleil, CO2, et l'eau est convertie dans les laboratoires en combustibles utiles. C'est l'objectif principal du Centre commun de photosynthèse artificielle (JCAP), un pôle d'innovation énergétique du département américain de l'Énergie (DOE), qui vise à « sécuriser l'approvisionnement énergétique des générations futures ». Crédit :JCAP
Les chimistes ont découvert un nouveau, manière plus efficace de créer des carburants à base de carbone à partir de dioxyde de carbone (CO2). Dans les réactions chimiques réalisées en laboratoire, une équipe de Caltech a identifié un nouvel additif qui aide à convertir sélectivement le CO2 en carburants contenant plusieurs atomes de carbone, une étape vers la fabrication de carburants liquides renouvelables qui ne sont pas dérivés du charbon ou du pétrole.
"Les résultats ont été assez choquants, " dit Jonas Peters, Bren professeur de chimie à Caltech et directeur du Resnick Sustainability Institute, qui ont mené conjointement les recherches en collaboration avec Theodor Agapie, professeur de chimie à Caltech. "D'habitude, dans ces types de réactions avec le CO2, vous voyez beaucoup de sous-produits comme le méthane et l'hydrogène. Dans ce cas, la réaction était très sélective pour les carburants les plus souhaitables qui contiennent plusieurs carbones, tels que l'éthylène, éthanol, et propanol. Nous avons constaté une conversion de 80 % vers ces produits de carburant multi-carbone, avec seulement 20 % environ d'hydrogène et de méthane."
Les carburants avec plusieurs atomes de carbone sont plus souhaitables car ils ont tendance à être liquides et les carburants liquides stockent plus d'énergie par volume que les carburants gazeux. Par exemple, propanol, qui est liquide et contient trois atomes de carbone, emmagasine plus d'énergie que le méthane, qui est un gaz et n'a qu'un seul atome de carbone.
Le but de chimistes comme Peters, Agapie, et leurs collègues travaillant au Centre commun de photosynthèse artificielle (JCAP), un pôle d'innovation énergétique du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), est de créer artificiellement des carburants de transport liquides multi-carbone en utilisant les ingrédients largement disponibles de la lumière du soleil, l'eau, et CO2. La nouvelle recherche, publié le 21 juillet dans le ACS Science centrale , et financé par JCAP, est un pas vers cet objectif.
Ce diagramme illustre le processus par lequel les chercheurs de Caltech ont converti le dioxyde de carbone (CO2 ) en produits combustibles contenant plusieurs atomes de carbone (les carburants à plusieurs carbones ont tendance à être des liquides et les carburants liquides stockent plus d'énergie par volume que les gaz). Ils ont utilisé un additif appelé arylpyridiniums N-substitués dans leurs réactions chimiques, qui a déposé un film mince sur une électrode de cuivre. Le film a aidé à convertir plus sélectivement le CO2 en carburants souhaités. Crédit :Caltech
La recherche de l'étude a été menée par les chercheurs postdoctoraux de Caltech Ruud Kortlever et Hsiang-Yun Chen et l'ancien postdoctorant Zhiji Han.
Pour trouver la combinaison idéale pour fabriquer les carburants multi-carbone, l'équipe a expérimenté un mélange de différents produits chimiques en laboratoire. Ils ont utilisé une solution aqueuse et une électrode de cuivre, qui a servi à la fois de catalyseur et de source d'énergie à la place du soleil. Le groupe a ajouté du CO2 à la solution, ainsi qu'une classe de molécules organiques appelées arylpyridiniums N-substitués, qui a formé un dépôt très mince sur l'électrode. Ce film, pour des raisons encore inconnues, considérablement amélioré la réaction de fabrication du carburant, produire sélectivement les produits chimiques souhaitables éthanol, éthylène, et propanol.
"C'est facile de faire de l'hydrogène dans ces conditions, donc d'habitude on en voit beaucoup, " précise Agapie. " Mais nous voulons défavoriser la production d'hydrogène et privilégier les carburants liquides à haute densité énergétique avec des liaisons carbone-carbone, c'est exactement ce que nous obtenons dans nos expériences."
L'étape suivante consiste à déterminer comment les additifs améliorent la réaction. Les chercheurs prévoient également de tester des additifs similaires pour voir s'ils peuvent encore améliorer la sélectivité pour les carburants souhaités. Finalement, cette information peut aider à conduire à des carburants alternatifs fabriqués efficacement à partir de la lumière du soleil, CO2, et de l'eau au lieu de l'huile.
"La nature a stocké l'énergie solaire sous forme de pétrole sur une longue période de l'histoire de la Terre via un processus qui prend des millions d'années, " dit Peters. " Les chimistes aimeraient comprendre comment faire cela beaucoup plus rapidement. "
