Imaginez un jour où, plutôt que d'être rejetés dans l'atmosphère, les gaz provenant des centrales électriques et de l'industrie lourde sont plutôt captés et introduits dans des réacteurs catalytiques qui transforment chimiquement les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone en carburants industriels ou en produits chimiques et qui n'émettent que de l'oxygène.

C'est un avenir qui, selon Haotian Wang, pourrait être plus proche que beaucoup ne le pensent.

Membre du Rowland Institute de Harvard, Wang et ses collègues ont développé un système amélioré pour utiliser l'électricité renouvelable pour réduire le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, un produit clé utilisé dans un certain nombre de processus industriels. Le système est décrit dans un article du 8 novembre publié dans Joule , une revue sœur nouvellement lancée de Cell press.

"L'idée la plus prometteuse est peut-être de connecter ces appareils à des centrales électriques au charbon ou à d'autres industries qui produisent beaucoup de CO 2 , " Wang a dit. " Environ 20 pour cent de ces gaz sont du CO 2 , donc si vous pouvez les pomper dans cette cellule... et les combiner avec de l'électricité propre, alors nous pouvons potentiellement produire des produits chimiques utiles à partir de ces déchets de manière durable, et même fermer une partie de ce CO 2 cycle."

Le nouveau système, Wang a dit, représente un pas en avant spectaculaire par rapport à celui que lui et ses collègues ont décrit pour la première fois dans un article publié en 2017 dans Chem.

Là où cet ancien système avait à peine la taille d'un téléphone portable et reposait sur deux chambres remplies d'électrolyte, chacun contenant une électrode, le nouveau système est moins cher et repose sur des concentrations élevées de CO 2 gaz et vapeur d'eau pour fonctionner plus efficacement - une seule cellule de 10 par 10 centimètres, Wang a dit, peut produire jusqu'à quatre litres de CO par heure.

Le nouveau système, Wang a dit, aborde les deux principaux défis (coût et évolutivité) qui étaient considérés comme limitant l'approche initiale.

« Dans ce travail antérieur, nous avions découvert les catalyseurs à un seul atome de nickel qui sont très sélectifs pour réduire le CO 2 au CO... mais l'un des défis auxquels nous avons été confrontés était que les matériaux étaient coûteux à synthétiser, " a déclaré Wang. " Le support que nous utilisions pour ancrer des atomes de nickel simples était basé sur le graphène, ce qui rendait très difficile la mise à l'échelle si vous vouliez le produire à l'échelle du gramme ou même du kilogramme pour une utilisation pratique à l'avenir. »

Pour résoudre ce problème, il a dit, son équipe s'est tournée vers un produit commercial des milliers de fois moins cher que le graphène comme support alternatif :le noir de carbone.

En utilisant un processus similaire à l'attraction électrostatique, Wang et ses collègues sont capables d'absorber des atomes de nickel uniques (chargés positivement) en défauts (chargés négativement) dans des nanoparticules de noir de carbone, le matériau résultant étant à la fois peu coûteux et hautement sélectif pour le CO 2 réduction.

"À l'heure actuelle, le mieux que nous puissions produire, ce sont des grammes, mais auparavant, nous ne pouvions produire que des milligrammes par lot, " a dit Wang. " Mais cela n'est limité que par l'équipement de synthèse que nous avons; si vous aviez un réservoir plus grand, vous pourriez faire des kilogrammes ou même des tonnes de ce catalyseur."

L'autre défi que Wang et ses collègues ont dû surmonter était lié au fait que le système d'origine ne fonctionnait que dans une solution liquide.

Le système initial fonctionnait en utilisant une électrode dans une chambre pour diviser les molécules d'eau en oxygène et en protons. Alors que l'oxygène bouillonnait, les protons conduits à travers la solution liquide se déplaceraient dans la deuxième chambre, où, avec l'aide du catalyseur au nickel, ils se lieraient au CO 2 et briser la molécule, laissant du CO et de l'eau. Cette eau pourrait ensuite être réintroduite dans la première chambre, où il serait à nouveau divisé, et le processus recommencerait.

« Le problème était que, le CO 2 nous pouvons réduire dans ce système ne sont que ceux dissous dans l'eau; la plupart des molécules entourant le catalyseur étaient de l'eau, " il a dit. " Il n'y avait qu'une trace de CO 2 , donc c'était assez inefficace."

Bien qu'il puisse être tentant d'augmenter simplement la tension appliquée sur le catalyseur pour augmenter la vitesse de réaction, qui peut avoir pour conséquence involontaire de fendre l'eau, ne pas réduire le CO 2 , a dit Wang.

"Si vous épuisez le CO 2 c'est près de l'électrode, d'autres molécules doivent diffuser vers l'électrode, et cela prend du temps, " Wang a dit. " Mais si vous augmentez la tension, il est plus probable que l'eau environnante saisira cette opportunité pour réagir et se diviser en hydrogène et oxygène."

La solution s'est avérée relativement simple :éviter de fractionner l'eau, l'équipe a sorti le catalyseur de la solution.

"Nous avons remplacé cette eau liquide par de la vapeur d'eau, et alimenter en CO à haute concentration 2 gaz, " dit-il. " Donc, si l'ancien système contenait plus de 99 pour cent d'eau et moins de 1 pour cent de CO 2 , maintenant nous pouvons complètement inverser cela, et pompe 97 pour cent de CO 2 gaz et seulement 3 pour cent de vapeur d'eau dans ce système. Avant que cette eau liquide ne fonctionne également comme conducteur d'ions dans le système, et maintenant, nous utilisons plutôt des membranes échangeuses d'ions pour aider les ions à se déplacer sans eau liquide.

« L'impact est que nous pouvons fournir une densité de courant d'un ordre de grandeur plus élevée, " continua-t-il. " Auparavant, nous fonctionnions à environ dix milliampères par centimètre carré, mais aujourd'hui, nous pouvons facilement monter jusqu'à 100 milliampères."

Aller de l'avant, Wang a dit, le système a encore des défis à surmonter, en particulier liés à la stabilité.

"Si vous voulez l'utiliser pour avoir un impact économique ou environnemental, il doit avoir un fonctionnement continu de milliers d'heures, " dit-il. " En ce moment, on peut faire ça pendant des dizaines d'heures, donc il y a encore un grand écart, mais je pense que ces problèmes peuvent être résolus avec une analyse plus détaillée à la fois du CO 2 catalyseur de réduction et le catalyseur d'oxydation de l'eau.

Finalement, Wang a dit, le jour viendra peut-être où l'industrie pourra capter le CO 2 qui est maintenant rejetée dans l'atmosphère et la transformer en produits utiles.

"Le monoxyde de carbone n'est pas un produit chimique particulièrement précieux, " Wang a dit. " Pour explorer plus de possibilités, mon groupe a également développé plusieurs catalyseurs à base de cuivre qui peuvent encore réduire le CO 2 en produits qui ont beaucoup plus de valeur."

Wang a attribué la liberté dont il jouissait au Rowland Institute pour avoir contribué à des avancées telles que le nouveau système.

"Rowland m'a fourni, en tant que chercheur en début de carrière, une excellente plate-forme pour la recherche indépendante, qui initie une grande partie des directions de recherche que mon groupe continuera de faire avancer, " dit Wang, qui a récemment accepté un poste à l'Université Rice. "Je vais certainement manquer mes jours ici."