Une façon de réduire le niveau de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, qui est maintenant à son point culminant en 800, 000 ans, serait de capter le puissant gaz à effet de serre des cheminées des usines et des centrales électriques et d'utiliser l'énergie renouvelable pour le transformer en choses dont nous avons besoin, dit Thomas Jaramillo.

En tant que directeur du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un institut conjoint de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, il est en mesure de contribuer à ce que cela se produise.

L'un des principaux objectifs de la recherche SUNCAT est de trouver des moyens de transformer le CO 2 en produits chimiques, carburants, et autres produits, du méthanol aux plastiques, détergents et gaz naturel synthétique. La production de ces produits chimiques et matériaux à partir d'ingrédients issus de combustibles fossiles représente désormais 10 % des émissions mondiales de carbone; la production d'essence, diesel, et le kérosène compte pour beaucoup, beaucoup plus.

"Nous avons déjà émis trop de CO 2 , et nous sommes sur la bonne voie pour continuer à en émettre pendant des années, puisque 80% de l'énergie consommée dans le monde aujourd'hui provient de combustibles fossiles, " dit Stéphanie Nitopi, dont la recherche SUNCAT est à la base de son doctorat nouvellement acquis à Stanford.

"Vous pourriez capturer le CO 2 des cheminées et le stocker sous terre, " dit-elle. " C'est une technologie actuellement en jeu. Une alternative consiste à l'utiliser comme matière première pour fabriquer des carburants, plastiques, et produits chimiques de spécialité, qui change le paradigme financier. Déchets CO 2 les émissions deviennent maintenant quelque chose que vous pouvez recycler en produits de valeur, fournir une nouvelle incitation à réduire la quantité de CO 2 libéré dans l'atmosphère. C'est un gagnant-gagnant."

Nous avons demandé à Nitopi, Jaramillo, Le scientifique de SUNCAT Christopher Hahn et le chercheur postdoctoral Lei Wang pour nous dire sur quoi ils travaillent et pourquoi c'est important.

Q. Tout d'abord les bases :comment convertir le CO 2 dans ces autres produits ?

Tom : C'est essentiellement une forme de photosynthèse artificielle, c'est pourquoi le Centre commun pour la photosynthèse artificielle du DOE finance notre travail. Les plantes utilisent l'énergie solaire pour convertir le CO 2 de l'air en carbone dans leurs tissus. De la même manière, nous voulons développer des technologies utilisant les énergies renouvelables, comme le solaire ou le vent, convertir le CO 2 des émissions industrielles aux produits à base de carbone.

Chris :Une façon de procéder s'appelle le CO électrochimique. 2 réduction, où tu bulles du CO 2 gaz à travers l'eau et il réagit avec l'eau à la surface d'une électrode à base de cuivre. Le cuivre agit comme un catalyseur, rassembler les ingrédients chimiques d'une manière qui les encourage à réagir. En termes très simples, la réaction initiale retire un atome d'oxygène du CO 2 former du monoxyde de carbone, ou CO, qui est un produit chimique industriel important à part entière. Ensuite, d'autres réactions électrochimiques transforment le CO en molécules importantes telles que les alcools, carburants et autres choses.

Aujourd'hui, ce procédé nécessite un catalyseur à base de cuivre. C'est le seul connu pour faire le travail. Mais ces réactions peuvent produire de nombreux produits, et séparer celui que l'on veut coûte cher, nous devons donc identifier de nouveaux catalyseurs capables de guider la réaction vers la fabrication uniquement du produit souhaité.

Comment?

Lei :Lorsqu'il s'agit d'améliorer les performances d'un catalyseur, l'un des éléments clés que nous examinons est de savoir comment les rendre plus sélectifs, ils génèrent donc un seul produit et rien d'autre. Environ 90 % de la fabrication de carburants et de produits chimiques dépendent des catalyseurs, et se débarrasser des sous-produits indésirables représente une grande partie du coût.

Nous regardons également comment rendre les catalyseurs plus efficaces en augmentant leur surface, il y a donc beaucoup plus d'endroits dans un volume donné de matière où des réactions peuvent se produire simultanément. Cela augmente le taux de production.

Récemment, nous avons découvert quelque chose de surprenant :lorsque nous avons augmenté la surface d'un catalyseur à base de cuivre en lui donnant la forme d'une « nanofleur » feuilletée, cela rendait la réaction à la fois plus efficace et plus sélective. En réalité, il n'a pratiquement produit aucun sous-produit d'hydrogène gazeux que nous puissions mesurer. Cela pourrait donc offrir un moyen d'ajuster les réactions pour les rendre plus sélectives et plus compétitives.

Stéphanie :C'était tellement surprenant que nous avons décidé de revoir toutes les recherches que nous pouvions trouver sur la catalyse du CO électrochimique 2 conversion au cuivre, et les nombreuses façons dont les gens ont essayé de comprendre et d'affiner le processus, using both theory and experiments, going back four decades. There's been an explosion of research on this—about 60 papers had been published as of 2006, versus more than 430 out there today—and analyzing all the studies with our collaborators at the Technical University of Denmark took two years.

We were trying to figure out what makes copper special, why it's the only catalyst that can make some of these interesting products, and how we can make it even more efficient and selective—what techniques have actually pushed the needle forward? We also offered our perspectives on promising research directions.

One of our conclusions confirms the results of the earlier study:The copper catalyst's surface area can be used to improve both the selectivity and overall efficiency of reactions. So this is well worth considering as a chemical production strategy.

Does this approach have other benefits?

Tom:Absolutely. If we use clean, renewable energy, like wind or solar, to power the controlled conversion of waste CO 2 to a wide range of other products, this could actually draw down levels of CO 2 in the atmosphere, which we will need to do to stave off the worst effects of global climate change.

Chris:And when we use renewable energy to convert CO 2 to fuels, we're storing the variable energy from those renewables in a form that can be used any time. En outre, with the right catalyst, these reactions could take place at close to room temperature, instead of the high temperatures and pressures often needed today, making them much more energy efficient.

How close are we to making it happen?

Tom:Chris and I explored this question in a recent Perspective article in Science , written with researchers from the University of Toronto and TOTAL American Services, which is an oil and gas exploration and production services firm.

We concluded that renewable energy prices would have to fall below 4 cents per kilowatt hour, and systems would need to convert incoming electricity to chemical products with at least 60% efficiency, to make the approach economically competitive with today's methods.

Chris:This switch couldn't happen all at once; the chemical industry is too big and complex for that. So one approach would be to start with making high-value, high-volume products like ethylene, which is used to make alcohols, polyester, antifreeze, plastics and synthetic rubber. It's a $230 billion global market today. Switching from fossil fuels to CO 2 as a starting ingredient for ethylene in a process powered by renewables could potentially save the equivalent of about 860 million metric tons of CO 2 emissions per year.

The same step-by-step approach applies to sources of CO 2 . Industry could initially use relatively pure CO 2 emissions from cement plants, breweries or distilleries, par exemple, and this would have the side benefit of decentralizing manufacturing. Every country could provide for itself, develop the technology it needs, and give its people a better quality of life.

Tom:Once you enter certain markets and start scaling up the technology, you can attack other products that are tougher to make competitively today. What this paper concludes is that these new processes have a chance to change the world.