Des améliorations spectaculaires ont été apportées au processus de conversion du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, au méthanol, un combustible et un bloc de construction pour une large gamme de matériaux de tous les jours, selon les chercheurs de Penn State.

Les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone augmentent et le changement climatique devient une préoccupation mondiale nécessitant des efforts mondiaux pour réduire les émissions de dioxyde de carbone. Une approche consiste à utiliser le dioxyde de carbone comme source de carbone dans les réactions avec l'hydrogène, où l'hydrogène est produit à partir d'eau à l'aide d'énergies renouvelables, et la réaction synthétise du méthanol. Cela contribuera à réduire les émissions de dioxyde de carbone et à atténuer la dépendance aux combustibles fossiles.

Les chercheurs ont avancé le processus de conversion du dioxyde de carbone en méthanol, qui contient quatre parties d'hydrogène, une partie d'oxygène et une partie de carbone, en développant un nouveau catalyseur qui utilise une formulation spécifique de palladium et de cuivre. Les travaux théoriques et expérimentaux, récemment publié dans Catalyse ACS , est le résultat d'années de recherche expérimentale et informatique intégrée menée en partenariat avec l'Université de technologie de Dalian en Chine en collaboration avec le Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research. La recherche collaborative Penn State-Dalian a mis au jour les avantages de combiner les deux métaux comme catalyseur.

Un facteur clé dans la conversion du dioxyde de carbone en méthanol est de trouver un bon catalyseur afin que le méthanol puisse être produit avec une sélectivité élevée à un taux efficace. Dans la plage du rapport atomique palladium/cuivre de 0,3 à 0,4, la combinaison du palladium et du cuivre a donné la conversion la plus efficace du méthanol à partir du dioxyde de carbone en utilisant des nanoparticules du catalyseur dispersées sur un matériau de support poreux qui a augmenté la surface du catalyseur. Avec un catalyseur de la taille d'une noix, la surface interne du catalyseur couvrirait environ la surface d'un terrain de football.

Les chercheurs ont découvert que les nouvelles formulations, en utilisant le rapport atomique précis des deux métaux, a augmenté le taux de formation de méthanol de trois fois par rapport au palladium seul et de quatre fois par rapport au cuivre seul, représentant une amélioration significative par rapport aux méthodes précédentes.

Chanson Chunshan, professeur distingué de science des carburants, professeur de génie chimique et directeur de l'énergie des sciences de la terre et des minéraux (EMS)

Institut, a comparé le processus à un chat attrapant une souris à la surface d'un catalyseur. Pour que la conversion se produise, vous avez besoin à la fois de dioxyde de carbone (le chat) et d'hydrogène (la souris). Mais vous devez créer les conditions idéales pour que le chat réussisse à attraper la souris. Si le chat ne peut pas atteindre la souris, ou les conditions le ralentissent, le chat a moins de succès.

Cela fonctionne parce que le catalyseur combinant deux métaux peut non seulement réduire les besoins énergétiques pour accélérer la réaction du dioxyde de carbone et de l'hydrogène, mais modifie également les voies de réaction pour produire plus de produit souhaité avec une efficacité énergétique plus élevée.

"Les études conventionnelles se sont concentrées sur le cuivre mais cela ne donne pas de résultats efficaces, " Song dit. " C'est la même chose pour le palladium. Mais l'association du palladium et du cuivre crée une structure de surface unique qui montre une sélectivité particulière pour la création de méthanol à partir de dioxyde de carbone. Cette étude fournit des informations fondamentales sur les effets très synergiques de l'utilisation conjointe de ces deux métaux. »

Pour créer du méthanol, les chercheurs ont pompé de l'hydrogène et du dioxyde de carbone dans une chambre scellée d'une cuve de réacteur remplie de catalyseur et ont chauffé le contenu entre 356 et 482 degrés Fahrenheit. La conversion maximale de dioxyde de carbone en méthanol est d'environ 24 %, cependant le dioxyde de carbone et l'hydrogène non convertis seront recyclés et renvoyés au navire dans un cadre industriel, un peu comme ce qui est fait dans la synthèse de méthanol conventionnelle utilisant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène.

Le processus d'hydrogénation du dioxyde de carbone fonctionne en décomposant l'eau pour créer un gaz d'hydrogène à l'aide d'énergie renouvelable, qui se lie ensuite avec le dioxyde de carbone à la surface du catalyseur pour créer du méthanol. Song a déclaré que parce que leur catalyseur encourage une sélectivité élevée, un pourcentage plus important des produits va à la création de méthanol.

Le méthanol est utilisé pour créer de nombreux matériaux et carburants, des adhésifs et des sous-planchers en contreplaqué aux bouteilles d'eau, chemises infroissables et carburants diesel. C'est aussi un produit chimique utilisé dans la fabrication d'antigel, Liquide lave-glace, solvants et autres produits. De nouveaux catalyseurs pour convertir le dioxyde de carbone en un certain nombre de produits chimiques industriellement utiles, carburants, et des matériaux tels que les plastiques sont activement développés par Song par le biais du Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research.

Song a déclaré que la création efficace de carburants et de produits chimiques industriels à partir de dioxyde de carbone en utilisant des énergies renouvelables est considérée comme le Saint Graal pour lutter contre le changement climatique, car les carburants sont encore meilleurs que les carburants neutres en carbone ou renouvelables. Le processus convertit essentiellement les gaz à effet de serre en carburants qui émettent du dioxyde de carbone lorsqu'ils sont brûlés. Ce processus, lorsqu'il est combiné avec la capture du dioxyde de carbone de l'environnement, revient à recycler le dioxyde de carbone au lieu de le créer ou de l'éviter.

« Notre système énergétique actuel repose en grande partie sur les énergies fossiles à base de carbone, " Song a déclaré. "Même les carburants renouvelables tels que la biomasse, biogaz et déchets organiques, ils sont tous à base de carbone. Mais à l'avenir, d'où vient le carbone ? Si nous commençons à utiliser du carbone à partir de dioxyde de carbone, nous pouvons le recycler, créer un cycle énergétique durable basé sur le carbone, puis nous stabilisons la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. C'est pourquoi je suis passionné par cela."