Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont mis au point un nouvel électrocatalyseur capable de convertir directement le dioxyde de carbone en carburants et alcools multicarbonés en utilisant un apport énergétique record. Ce travail est le dernier d'une série d'études menées par Berkeley Lab et s'attaquant au défi de créer un système de fabrication de produits chimiques propres qui peut utiliser le dioxyde de carbone à bon escient.

Dans la nouvelle étude, publié cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), une équipe dirigée par le scientifique du Berkeley Lab, Peidong Yang, a découvert qu'un électrocatalyseur composé de nanoparticules de cuivre fournissait les conditions nécessaires pour décomposer le dioxyde de carbone pour former de l'éthylène, éthanol, et propanol.

Tous ces produits contiennent deux à trois atomes de carbone, et tous sont considérés comme des produits de grande valeur dans la vie moderne. L'éthylène est l'ingrédient de base utilisé pour fabriquer des films et des bouteilles en plastique ainsi que des tuyaux en polychlorure de vinyle (PVC). Éthanol, généralement fabriqués à partir de biomasse, a déjà établi sa place en tant qu'additif de biocarburant pour l'essence. Alors que le propanol est un carburant très efficace, il est actuellement trop coûteux à fabriquer pour être utilisé à cette fin.

Pour évaluer l'efficacité énergétique du catalyseur, les scientifiques considèrent le potentiel thermodynamique des produits - la quantité d'énergie qui peut être acquise dans une réaction électrochimique - et la quantité de tension supplémentaire nécessaire au-dessus de ce potentiel thermodynamique pour entraîner la réaction à des vitesses de réaction suffisantes. Cette tension supplémentaire est appelée surtension; plus la surtension est faible, plus le catalyseur est efficace.

« Il est maintenant assez courant dans ce domaine de fabriquer des catalyseurs pouvant produire des produits multicarbonés à partir du CO2, mais ces processus fonctionnent généralement à des surtensions élevées de 1 volt pour atteindre des quantités appréciables, " dit Yang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Ce que nous rapportons ici est beaucoup plus difficile. Nous avons découvert un catalyseur pour la réduction du dioxyde de carbone fonctionnant à une densité de courant élevée avec une surtension record d'environ 300 millivolts de moins que les électrocatalyseurs typiques."

Cuivre en forme de cube

Les chercheurs ont caractérisé l'électrocatalyseur à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab en utilisant une combinaison de spectroscopie photoélectronique à rayons X, La microscopie électronique à transmission, et la microscopie électronique à balayage.

Le catalyseur était constitué de sphères de cuivre étroitement tassées, chacun environ 7 nanomètres de diamètre, posé sur du papier carbone de manière dense. Les chercheurs ont découvert qu'au tout début de la période d'électrolyse, grappes de nanoparticules fusionnées et transformées en nanostructures cubiques. Les formes en forme de cube variaient en taille de 10 à 40 nanomètres.

"C'est après cette transition que se produisent les réactions pour former des produits multicarbonés, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Dohyung Kim, un étudiant diplômé de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab et du département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. "Nous avons essayé de commencer avec des cubes de cuivre nanométriques préformés, mais cela n'a pas donné de quantités significatives de produits multicarbonés. C'est ce changement structurel en temps réel des nanosphères de cuivre aux structures cubiques qui facilite la formation d'hydrocarbures multicarbonés et d'oxygénats."

On ne sait toujours pas exactement comment cela se passe, dit Yang, qui est également professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley.

"Ce que nous savons, c'est que cette structure unique fournit un environnement chimique bénéfique pour la conversion du CO2 en produits multicarbone, ", a-t-il déclaré. "Les formes cubiques et l'interface associée peuvent constituer un lieu de rencontre idéal où le dioxyde de carbone, l'eau, et les électrons peuvent se réunir."

De nombreux chemins dans le voyage du CO2 au carburant

Cette dernière étude illustre comment la réduction du dioxyde de carbone est devenue un domaine de plus en plus actif dans la recherche énergétique au cours des dernières années. Au lieu d'exploiter l'énergie du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en nourriture végétale, la photosynthèse artificielle cherche à utiliser les mêmes ingrédients de départ pour produire des précurseurs chimiques couramment utilisés dans les produits synthétiques ainsi que des carburants comme l'éthanol.

Les chercheurs du Berkeley Lab ont relevé divers aspects de ce défi, comme le contrôle du produit qui sort des réactions catalytiques. Par exemple, en 2016, un système hybride semi-conducteur-bactérie a été développé pour la production d'acétate à partir du CO2 et de la lumière du soleil. Plus tôt cette année, une autre équipe de recherche a utilisé un photocatalyseur pour convertir presque exclusivement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. Plus récemment, un nouveau catalyseur a été signalé pour la production efficace de mélanges de gaz de synthèse, ou gaz de synthèse.

Les chercheurs ont également travaillé sur l'augmentation de l'efficacité énergétique de la réduction du dioxyde de carbone afin que les systèmes puissent être mis à l'échelle pour une utilisation industrielle.

Un article récent dirigé par des chercheurs du Berkeley Lab du Joint Center for Artificial Photosynthèse s'appuie sur la science fondamentale pour montrer comment l'optimisation de chaque composant d'un système entier peut atteindre l'objectif de la production de carburant à l'énergie solaire avec des taux impressionnants d'efficacité énergétique.

Ce nouveau PNAS l'étude se concentre sur l'efficacité du catalyseur plutôt que sur un système entier, mais les chercheurs soulignent que le catalyseur peut être connecté à une variété de sources d'énergie renouvelables, y compris les cellules solaires.

"En utilisant des valeurs déjà établies pour d'autres composants, tels que les cellules solaires commerciales et les électrolyseurs, nous projetons des rendements énergétiques de l'électricité au produit et du solaire au produit jusqu'à 24,1 et 4,3 pour cent pour deux à trois produits carbonés, respectivement, ", a déclaré Kim.

Kim estime que si ce catalyseur était incorporé dans un électrolyseur dans le cadre d'un système à combustible solaire, un matériau de seulement 10 centimètres carrés pourrait produire environ 1,3 gramme d'éthylène, 0,8 grammes d'éthanol, et 0,2 gramme de propanol par jour.

« Avec des améliorations continues des composants individuels d'un système à combustible solaire, ces chiffres devraient continuer à s'améliorer au fil du temps, " il a dit.