Réduire le dioxyde de carbone (CO 2 ) les émissions des centrales électriques sont largement considérées comme une composante essentielle de tout plan d'atténuation du changement climatique. De nombreux efforts de recherche se concentrent sur le développement et le déploiement de systèmes de capture et de séquestration du carbone (CSC) pour garder le CO 2 les émissions des centrales électriques hors de l'atmosphère. Mais séparer le CO capturé 2 et le reconvertir en un gaz pouvant être stocké peut consommer jusqu'à 25 % de la capacité de production d'électricité d'une usine. En outre, le CO 2 le gaz est généralement injecté dans des formations géologiques souterraines pour un stockage à long terme, une méthode de stockage dont la sûreté et la fiabilité restent à prouver.

Une meilleure approche serait de convertir le CO capturé 2 en produits utiles tels que des carburants à valeur ajoutée ou des produits chimiques. À cette fin, l'attention s'est concentrée sur les processus électrochimiques - dans ce cas, un processus dans lequel des réactions chimiques libèrent de l'énergie électrique, comme lors de la décharge d'une batterie. Le milieu idéal pour effectuer la conversion électrochimique du CO 2 semblerait être de l'eau. L'eau peut fournir les protons (particules chargées positivement) nécessaires à la fabrication de carburants tels que le méthane. Mais faire fonctionner de tels systèmes « aqueux » (à base d'eau) nécessite d'importants apports d'énergie, et seule une petite fraction des produits formés sont typiquement ceux d'intérêt.

Bétar Gallant, un professeur adjoint de génie mécanique, et son groupe au MIT se sont donc concentrés sur les réactions électrochimiques non aqueuses (sans eau), en particulier, ceux qui se produisent à l'intérieur du lithium-CO 2 piles.

Recherche sur le lithium-CO 2 batteries n'en est qu'à ses débuts, selon Gallant, mais l'intérêt pour eux augmente parce que le CO 2 est utilisé dans les réactions chimiques qui se produisent sur l'une des électrodes lors de la décharge de la batterie. Cependant, CO 2 n'est pas très réactif. Les chercheurs ont essayé d'accélérer les choses en utilisant différents électrolytes et matériaux d'électrode. Malgré de tels efforts, la nécessité d'utiliser des catalyseurs métalliques coûteux pour déclencher une activité électrochimique a persisté.

Étant donné l'absence de progrès, Gallant voulait essayer quelque chose de différent. "Nous étions intéressés à essayer d'apporter une nouvelle chimie pour résoudre le problème, " dit-elle. Et en faisant appel aux molécules absorbantes qui capturent si efficacement le CO 2 en CCS semblait être une voie prometteuse.

Repenser l'amine

La molécule de sorbant utilisée dans le CCS est une amine, un dérivé de l'ammoniac. En CCS, l'échappement est barboté à travers une solution contenant une amine, et l'amine lie chimiquement le CO 2 , le retirer des gaz d'échappement. Le CO 2 - maintenant sous forme liquide - est ensuite séparé de l'amine et reconverti en gaz pour élimination.

En CCS, ces dernières étapes nécessitent des températures élevées, qui sont atteints en utilisant une partie de la production électrique de la centrale. Gallant s'est demandé si son équipe pourrait plutôt utiliser des réactions électrochimiques pour séparer le CO 2 à partir de l'amine - puis continuer la réaction pour faire un solide, CO 2 -produit contenant. Si c'est le cas, le processus d'élimination serait plus simple que pour le CO gazeux 2 . Le CO 2 serait plus dense, donc ça prendrait moins de place, et il ne pouvait pas s'échapper, donc ce serait plus sûr. Mieux encore, de l'énergie électrique supplémentaire pourrait être extraite de l'appareil au fur et à mesure qu'il se décharge et forme le matériau solide. "La vision était de mettre un dispositif semblable à une batterie dans le flux de déchets de la centrale électrique pour séquestrer le CO capturé 2 dans un solide stable, tout en récupérant l'énergie libérée dans le processus, " dit Gallant.

La recherche sur la technologie CSC a permis de bien comprendre le processus de capture du carbone qui se déroule à l'intérieur d'un système CSC. Quand le CO 2 est ajouté à une solution d'amine, les molécules des deux espèces se combinent spontanément pour former un « adduit, " une nouvelle espèce chimique dans laquelle les molécules d'origine restent en grande partie intactes. Dans ce cas, l'adduit se forme lorsqu'un atome de carbone dans un CO 2 molécule se lie chimiquement avec un atome d'azote dans une molécule d'amine. Comme ils se combinent, le CO 2 molécule est reconfigurée :elle change de son original, très stable, forme linéaire à une forme "courbée" avec une charge négative - une forme très réactive qui est prête pour une réaction ultérieure.

Dans son schéma, Gallant a proposé d'utiliser l'électrochimie pour séparer le CO 2 -adduit d'amine—juste à la liaison carbone-azote. Le clivage de l'adduit à cette liaison séparerait les deux morceaux :l'amine dans son original, état sans réaction, prêt à capturer plus de CO 2 , et le courbé, forme chimiquement réactive du CO 2 , qui pourraient alors réagir avec les électrons et les ions lithium chargés positivement qui circulent pendant la décharge de la batterie. Le résultat de cette réaction pourrait être la formation de carbonate de lithium (Li 2 CO 3 ), qui se déposerait sur l'électrode de carbone.

À la fois, les réactions sur l'électrode de carbone devraient favoriser le flux d'électrons lors de la décharge de la batterie, même sans catalyseur métallique. "La décharge de la batterie se produirait spontanément, " Gallant dit. " Et nous casserions l'adduit d'une manière qui nous permet de renouveler notre CO 2 absorbeur en prenant du CO 2 à une écurie, forme solide."

Un processus de découverte

En 2016, Gallant et étudiante au doctorat en génie mécanique, Aliza Khurram a commencé à explorer cette idée.

Leur premier défi était de développer un nouvel électrolyte. Un lithium-CO 2 la batterie se compose de deux électrodes - une anode en lithium et une cathode en carbone - et un électrolyte, une solution qui aide à transporter les particules chargées entre les électrodes lorsque la batterie est chargée et déchargée. Pour leur système, ils avaient besoin d'un électrolyte composé d'amine et de CO capturé 2 dissous dans un solvant - et il devait favoriser les réactions chimiques sur la cathode de carbone lorsque la batterie se déchargeait.

Ils ont commencé par tester d'éventuels solvants. Ils ont mélangé leur CO 2 -absorber l'amine avec une série de solvants fréquemment utilisés dans les batteries et ensuite barboter du CO 2 à travers la solution résultante pour voir si le CO 2 pourraient être dissous à des concentrations élevées dans cet environnement chimique non conventionnel. Aucune des solutions amine-solvant n'a présenté de changements observables lorsque le CO 2 a été présenté, suggérant qu'ils pourraient tous être des candidats solvables viables.

Cependant, pour que tout appareil électrochimique fonctionne, l'électrolyte doit être enrichi d'un sel pour fournir des ions chargés positivement. Parce que c'est une batterie au lithium, les chercheurs ont commencé par ajouter un sel à base de lithium et les résultats expérimentaux ont radicalement changé. Avec la plupart des candidats solvables, l'ajout du sel a instantanément provoqué la formation de précipités solides dans le mélange ou sa viscosité élevée, des résultats qui les ont exclus en tant que solvants viables. La seule exception était le solvant diméthylsulfoxyde, ou DMSO. Même lorsque le sel de lithium était présent, le DMSO pourrait dissoudre l'amine et le CO 2 .

"Nous avons découvert que, fortuitement, le sel à base de lithium était important pour permettre à la réaction de se dérouler, " dit Gallant. " Il y a quelque chose à propos de l'ion lithium chargé positivement qui se coordonne chimiquement avec l'amine-CO 2 adduit, et ensemble, ces espèces forment les espèces électrochimiquement réactives."

Exploration du comportement de la batterie pendant la décharge

Pour examiner le comportement de décharge de leur système, les chercheurs ont mis en place une cellule électrochimique constituée d'une anode de lithium, une cathode en carbone, et leur électrolyte spécial - pour plus de simplicité, déjà chargé en CO 2 . Ils ont ensuite suivi le comportement de décharge à la cathode de carbone.

Comme ils l'avaient espéré, leur électrolyte spécial a en fait favorisé la réaction de décharge dans la cellule d'essai. "Avec l'amine incorporée dans l'électrolyte à base de DMSO avec le sel de lithium et le CO 2 , nous voyons des capacités très élevées et des tensions de décharge importantes - près de trois volts, " dit Gallant. Sur la base de ces résultats, ils ont conclu que leur système fonctionne comme un lithium-CO 2 batterie avec des capacités et des tensions de décharge compétitives avec celles des batteries lithium-gaz de pointe.

L'étape suivante consistait à confirmer que les réactions séparaient bien l'amine du CO 2 et continuer la réaction pour faire du CO 2 -produits dérivés. Découvrir, les chercheurs ont utilisé divers outils pour examiner les produits qui se sont formés sur la cathode de carbone.

Dans un essai, ils ont produit des images de la surface cathodique post-réaction à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB). Immédiatement évidentes étaient des formations sphériques avec une taille caractéristique de 500 nanomètres, régulièrement répartis à la surface de la cathode. Selon Gallant, la structure sphérique observée du produit de décharge était similaire à la forme de Li 2 CO 3 observé dans d'autres batteries à base de lithium. Ces sphères n'étaient pas évidentes dans les images SEM de la cathode de carbone « vierge » prises avant que les réactions ne se produisent.

D'autres analyses ont confirmé que le solide déposé sur la cathode était Li 2 CO 3 . Il ne comprenait que du CO 2 -matériaux dérivés ; aucune molécule d'amine ni aucun produit dérivé de celles-ci n'était présent. Pris ensemble, ces données fournissent des preuves solides que la réduction électrochimique du CO 2 -l'amine chargée se produit par le clivage sélectif de la liaison carbone-azote.

"L'amine peut être considérée comme activant efficacement la réactivité du CO 2 , " dit Gallant. " C'est excitant parce que l'amine couramment utilisée dans le CO 2 la capture peut alors remplir deux fonctions essentielles. Il peut servir d'absorbeur, récupérer spontanément du CO 2 des gaz de combustion et en l'incorporant à la solution d'électrolyte. Et il peut activer le CO 2 pour d'autres réactions qui ne seraient pas possibles si l'amine n'était pas là."

Directions futures

Gallant souligne que le travail à ce jour ne représente qu'une étude de validation de principe. "Il y a encore beaucoup de science fondamentale à comprendre, " elle dit, avant que les chercheurs puissent optimiser leur système.

Elle et son équipe continuent d'étudier les réactions chimiques qui se produisent dans l'électrolyte ainsi que la composition chimique de l'adduit qui se forme, « l'état réactif » sur lequel l'électrochimie ultérieure est effectuée. Ils examinent également le rôle détaillé de la composition du sel.

En outre, il y a des préoccupations pratiques à prendre en compte lorsqu'ils réfléchissent à la conception de l'appareil. Un problème persistant est que le dépôt solide obstrue rapidement la cathode de carbone, donc d'autres réactions chimiques ne peuvent pas se produire. Dans une configuration qu'ils étudient - une conception de batterie rechargeable - la cathode est découverte pendant chaque cycle de décharge-charge. Les réactions lors de la décharge déposent le solide Li 2 CO 3 , et les réactions pendant la charge le soulèvent, mettre les ions lithium et CO 2 dans l'électrolyte, prêt à réagir et à produire plus d'électricité. Cependant, le CO capturé 2 retrouve alors sa forme gazeuse d'origine dans l'électrolyte. Sceller la batterie bloquerait ce CO 2 à l'intérieur, loin de l'atmosphère, mais seulement dans une certaine mesure de CO 2 peut être stocké dans une batterie donnée, donc l'impact global de l'utilisation de batteries pour capturer le CO 2 les émissions seraient limitées dans ce scénario.

La deuxième configuration que les chercheurs étudient, une configuration à décharge uniquement, résout ce problème en ne permettant jamais au CO gazeux 2 réformer. "Nous sommes des ingénieurs mécaniciens, donc ce que nous voulons vraiment faire, c'est développer un processus industriel où vous pouvez d'une manière ou d'une autre récolter mécaniquement ou chimiquement le solide au fur et à mesure qu'il se forme, " dit Gallant. " Imaginez si par vibration mécanique vous pouviez retirer doucement le solide de la cathode, le garder clair pour une réaction soutenue." Placé dans un flux d'échappement, un tel système pourrait éliminer en continu le CO 2 émissions, produire de l'électricité et peut-être produire des matériaux solides de valeur en même temps.

Gallant et son équipe travaillent maintenant sur les deux configurations de leur système. "Nous ne savons pas encore ce qui est le mieux pour les applications, " dit-elle. Alors qu'elle croit que le lithium-CO pratique 2 les batteries sont encore dans des années, elle est enthousiasmée par les premiers résultats, qui suggèrent que le développement de nouveaux électrolytes pour pré-activer le CO 2 pourrait conduire à un CO alternatif 2 voies de réaction. Et elle et son groupe travaillent déjà sur certains.

L'un des objectifs est de remplacer le lithium par un métal moins coûteux et plus abondant en terre, comme le sodium ou le calcium. Avec un financement de démarrage de la MIT Energy Initiative, l'équipe a déjà commencé à étudier un système à base de calcium, un matériau qui n'est pas encore bien développé pour les applications de batterie. Si le calcium-CO 2 la configuration fonctionne comme prévu, le solide qui se forme serait du carbonate de calcium, un type de roche maintenant largement utilisé dans l'industrie de la construction.

En attendant, Gallant et ses collègues sont heureux d'avoir trouvé ce qui semble être une nouvelle classe de réactions pour capturer et séquestrer le CO 2 . "CO 2 la conversion a été largement étudiée pendant de nombreuses décennies, " elle dit, « nous sommes donc ravis de penser que nous avons peut-être trouvé quelque chose de différent et nous offre une nouvelle fenêtre pour explorer ce sujet. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.