Des chercheurs de l'U of T Engineering et de Caltech ont conçu un nouveau système amélioré pour convertir efficacement le CO2, l'eau, et l'énergie renouvelable en éthylène - le précurseur d'une large gamme de produits en plastique, des dispositifs médicaux aux tissus synthétiques, dans des conditions neutres. Le dispositif a le potentiel d'offrir une voie neutre en carbone vers un produit chimique couramment utilisé tout en améliorant le stockage des déchets de carbone et de l'excès d'énergie renouvelable.

"Le CO2 a une faible valeur économique, ce qui réduit l'incitation à le capturer avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère, " dit le professeur Ted Sargent, le responsable de l'ingénierie de l'Université de Toronto sur le projet. "En le transformant en éthylène, l'un des produits chimiques industriels les plus utilisés dans le monde, transforme l'économie. L'éthylène renouvelable fournit une voie pour remplacer les combustibles fossiles qui sont actuellement la principale matière première de ce produit chimique. »

L'année dernière, Sargent et son équipe ont publié un article dans Science décrivant comment ils ont utilisé un électrolyseur - un appareil qui utilise l'électricité pour conduire une réaction chimique - pour convertir le CO2 en éthylène avec une efficacité record. Dans ce système, les trois réactifs, gaz CO2, eau et électricité, tous se réunissent à la surface d'un catalyseur à base de cuivre.

Bien que l'appareil ait été une percée pour l'équipe, il y avait encore place à amélioration. La dernière version, décrit dans un article publié aujourd'hui dans La nature , modifie davantage le catalyseur afin d'améliorer les performances du système et de réduire son coût d'exploitation.

« L'un des défis de cette réaction est que, même si une partie du CO2 est convertie en éthylène, la plupart se transforme en produits secondaires, surtout le carbonate, qui se dissout du côté liquide de l'électrolyseur, " dit le post-doctorant Fengwang Li, auteur principal du nouveau document. "Cette perte indésirable augmente le coût de la séparation et de la purification du produit qui s'ensuit."

Dans les derniers travaux, L'équipe de Sargent s'est associée aux professeurs de chimie de Caltech, Jonas C. Peters et Theodor Agapie. Leurs recherches publiées sur une classe de molécules connues sous le nom d'arylpyridiniums suggèrent que leur ajout au catalyseur pourrait favoriser la production d'éthylène par rapport à d'autres produits secondaires.

À l'aide de calculs théoriques et d'expériences, les deux équipes ont passé au crible plus d'une douzaine de types différents d'arylpyridiniums avant d'en sélectionner un. Assez sur, l'ajout d'une fine couche de cette molécule à la surface du catalyseur de cuivre a considérablement augmenté la sélectivité de la réaction pour l'éthylène. Cela a également conduit à un autre avantage :abaisser le pH de la réaction de travail de basique à neutre.

"Le système précédent exigeait que le côté eau de la réaction soit à pH élevé, conditions très basiques, " dit Li. " Mais la réaction du CO2 avec la soude caustique dans l'eau abaisse le pH, nous aurions donc dû continuellement ajouter des produits chimiques pour maintenir le pH. Le nouveau système fonctionne aussi bien dans des conditions neutres, afin que nous puissions éliminer ce coût supplémentaire, ainsi que la perte de CO2 sous forme de carbonate."

Le catalyseur amélioré a également duré plus longtemps que la version précédente, stable pendant près de 200 heures de fonctionnement. Une autre amélioration, l'augmentation de la surface de la surface du catalyseur d'un facteur cinq, a donné aux équipes un avant-goût des défis qui devront être surmontés afin d'augmenter la production à des niveaux industriels.

Alors que le prototype est encore loin de la commercialisation, le concept global offre une manière prometteuse de relever plusieurs défis clés en matière de durabilité. Il élimine le besoin d'extraire plus de pétrole pour fabriquer des plastiques et d'autres biens de consommation à base d'éthylène, et il transforme les déchets de CO2 en matière première, ajoutant une nouvelle incitation à investir dans la capture du carbone.

Li souligne également qu'un tel système pourrait être alimenté par des sources renouvelables intermittentes, comme l'énergie éolienne ou solaire. Actuellement, il y a souvent un décalage entre la quantité d'électricité produite par ces systèmes et la demande des consommateurs. En stockant l'électricité excédentaire sous forme d'éthylène, le système offre un moyen de lisser ces pics et ces vallées.

« Ce qui est génial avec ce système de conversion du CO2 en éthylène, c'est que vous n'avez pas besoin de choisir entre capturer et recycler les émissions de CO2 plutôt que d'essayer de les empêcher de se produire en premier lieu en remplaçant les combustibles fossiles utilisés, " dit Li. "Nous pouvons faire les deux en même temps."