Un nouveau catalyseur créé par les chercheurs de l'U of T Engineering les rapproche un peu plus de la photosynthèse artificielle, un système qui, tout comme les plantes, utiliserait des énergies renouvelables pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) en énergie chimique stockée. A la fois en captant les émissions de carbone et en stockant l'énergie solaire ou éolienne, l'invention offre un double coup de poing dans la lutte contre le changement climatique.

« Le captage du carbone et les énergies renouvelables sont deux technologies prometteuses, mais il y a des problèmes, " dit Phil De Luna, l'un des principaux auteurs d'un article publié aujourd'hui dans Chimie de la nature . « La technologie de capture du carbone coûte cher, et les énergies solaire et éolienne sont intermittentes. Vous pouvez utiliser des piles pour stocker de l'énergie, mais une batterie ne va pas faire traverser l'Atlantique à un avion ou chauffer une maison tout l'hiver :pour cela, il faut du carburant."

De Luna et ses co-auteurs principaux Xueli Zheng et Bo Zhang, qui ont mené leurs travaux sous la supervision du professeur Ted Sargent, visent à relever les deux défis à la fois, et ils se tournent vers la nature pour s'en inspirer. Ils conçoivent un système artificiel qui imite la façon dont les plantes et autres organismes photosynthétiques utilisent la lumière du soleil pour convertir le CO2 et l'eau en molécules que les humains pourront ensuite utiliser comme carburant.

Comme chez les plantes, leur système se compose de deux réactions chimiques liées :une qui divise H2O en protons et en oxygène gazeux, et un autre qui convertit le CO2 en monoxyde de carbone, ou CO. (Le CO peut ensuite être converti en carburants hydrocarbonés grâce à un processus industriel établi appelé synthèse Fischer-Tropsch.)

« Au cours des deux dernières années, notre équipe a développé des catalyseurs très performants aussi bien pour la première que pour la deuxième réaction, " dit Zhang, qui a contribué aux travaux alors qu'il était boursier postdoctoral à l'Université de Toronto et est maintenant professeur à l'Université Fudan. "Mais tandis que le deuxième catalyseur fonctionne dans des conditions neutres, le premier catalyseur nécessite des niveaux de pH élevés pour être le plus actif."

Cela signifie que lorsque les deux sont combinés, le processus global n'est pas aussi efficace qu'il pourrait l'être, car l'énergie est perdue lors du déplacement de particules chargées entre les deux parties du système.

L'équipe a maintenant surmonté ce problème en développant un nouveau catalyseur pour la première réaction, celui qui divise l'eau en protons et en oxygène gazeux. Contrairement au catalyseur précédent, celui-ci fonctionne à pH neutre, et dans ces conditions, il fonctionne mieux que tout autre catalyseur précédemment rapporté.

"Il a une faible surtension, ce qui signifie que moins d'énergie électrique est nécessaire pour faire avancer la réaction, " dit Zheng, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford. "En plus de ça, avoir un catalyseur qui peut fonctionner au même pH neutre que la réaction de conversion du CO2 réduit le potentiel global de la cellule."

Dans le journal, l'équipe rapporte l'efficacité globale de conversion d'énergie électrique-chimique du système à 64 pour cent. Selon De Luna, c'est la valeur la plus élevée jamais atteinte pour un tel système, y compris leur précédent, qui n'atteignait que 54 pour cent.

Le nouveau catalyseur est en nickel, fer à repasser, cobalt et phosphore, tous les éléments sont peu coûteux et présentent peu de risques pour la sécurité. Il peut être synthétisé à température ambiante à l'aide d'un équipement relativement peu coûteux, et l'équipe a montré qu'il restait stable tant qu'ils le testaient, un total de 100 heures.

Armés de leur catalyseur amélioré, le laboratoire Sargent travaille maintenant à la construction de leur système de photosynthèse artificielle à l'échelle pilote. L'objectif est de capter le CO2 des gaz de combustion, par exemple, d'une centrale électrique au gaz naturel et utiliser le système catalytique pour le convertir efficacement en combustibles liquides.

« Il faut déterminer les bonnes conditions de fonctionnement :débit, concentration d'électrolyte, Potentiel électrique, " dit De Luna. " A partir de ce moment, tout est ingénierie."

L'équipe et leur invention sont demi-finalistes du NRG COSIA Carbon XPRIZE, un défi de 20 millions de dollars pour « développer des technologies révolutionnaires qui convertiront les émissions de CO? des centrales électriques et des installations industrielles en produits de valeur ».

Le projet est le résultat d'une collaboration internationale et multidisciplinaire. La Canadian Light Source en Saskatchewan a fourni les rayons X à haute énergie utilisés pour sonder les propriétés électroniques du catalyseur. La fonderie moléculaire du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis a effectué des travaux de modélisation théorique. Un soutien financier et en nature a été fourni par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie, la Fondation canadienne pour l'innovation, Université de Tianjin, Université de Fudan et source de lumière de Pékin.

Quant à ce qui l'a motivé tout au long du projet, De Luna souligne l'opportunité d'avoir un impact sur certains des plus grands défis environnementaux de la société.

« Voir les progrès rapides dans le domaine a été extrêmement excitant, " dit-il. " A chaque conférence hebdomadaire ou mensuelle que nous avons au sein de notre laboratoire, les gens battent des records à gauche et à droite. Il y a encore beaucoup de place pour grandir, mais j'aime vraiment la recherche, et les émissions de carbone sont si importantes que toute amélioration ressemble à un véritable accomplissement."