Les colorants sont utilisés pour révéler les niveaux de concentration de dioxyde de carbone dans l'eau. Sur le côté gauche se trouve un matériau attirant les gaz, et le colorant montre que le dioxyde de carbone reste concentré à côté du catalyseur. Crédit :Groupe de recherche de Varanasi
Les systèmes de capture et de conversion du dioxyde de carbone des émissions des centrales électriques pourraient être des outils importants pour lutter contre le changement climatique, mais la plupart sont relativement inefficaces et coûteux. Maintenant, des chercheurs du MIT ont mis au point une méthode qui pourrait augmenter considérablement les performances des systèmes utilisant des surfaces catalytiques pour augmenter les taux de réactions électrochimiques de séquestration du carbone.
De tels systèmes catalytiques sont une option intéressante pour la capture du carbone car ils peuvent produire des produits de valeur, comme les carburants de transport ou les matières premières chimiques. Cette sortie peut aider à subventionner le processus, compenser les coûts de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Dans ces systèmes, typiquement, un courant de gaz contenant du dioxyde de carbone traverse l'eau pour fournir du dioxyde de carbone pour la réaction électrochimique. Le mouvement dans l'eau est lent, ce qui ralentit la vitesse de conversion du dioxyde de carbone. La nouvelle conception garantit que le flux de dioxyde de carbone reste concentré dans l'eau juste à côté de la surface du catalyseur. Cette concentration, les chercheurs ont montré, peut presque doubler les performances du système.
Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Rapports cellulaires Sciences physiques dans un article du postdoctorant du MIT Sami Khan Ph.D. '19, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Simon Fraser, avec les professeurs de génie mécanique du MIT Kripa Varanasi et Yang Shao-Horn, et le récent diplômé Jonathan Hwang Ph.D. '19.
« La séquestration du dioxyde de carbone est le défi de notre époque, " dit Varanasi. Il existe un certain nombre d'approches, y compris la séquestration géologique, stockage océanique, minéralisation, et conversion chimique. Quand il s'agit de rendre utile, produits commercialisables de ce gaz à effet de serre, la conversion électrochimique est particulièrement prometteuse, mais il a encore besoin d'améliorations pour devenir économiquement viable. "Le but de notre travail était de comprendre quel est le gros goulot d'étranglement dans ce processus, et pour améliorer ou atténuer ce goulot d'étranglement, " il dit.
À gauche, une bulle frappe une surface attirante de gaz spécialement texturée, et s'étend sur toute la surface, tandis qu'à droite, une bulle frappe une surface non traitée et rebondit. La surface traitée est utilisée dans le nouveau travail pour garder le dioxyde de carbone à proximité d'un catalyseur. Crédit :Groupe de recherche de Varanasi
Le goulot d'étranglement s'est avéré impliquer la livraison du dioxyde de carbone à la surface catalytique qui favorise les transformations chimiques souhaitées, les chercheurs ont trouvé. Dans ces systèmes électrochimiques, le courant de gaz contenant du dioxyde de carbone est mélangé à de l'eau, soit sous pression, soit en le faisant barboter à travers un récipient équipé d'électrodes d'un matériau catalyseur tel que le cuivre. Une tension est ensuite appliquée pour favoriser des réactions chimiques produisant des composés carbonés qui peuvent être transformés en carburants ou autres produits.
Il y a deux défis dans de tels systèmes :la réaction peut se dérouler si rapidement qu'elle utilise l'approvisionnement en dioxyde de carbone atteignant le catalyseur plus rapidement qu'elle ne peut être reconstituée; et si cela arrive, une réaction concurrente - la division de l'eau en hydrogène et oxygène - peut prendre le relais et saper une grande partie de l'énergie mise dans la réaction.
Les efforts précédents pour optimiser ces réactions en texturant les surfaces du catalyseur pour augmenter la surface des réactions n'avaient pas répondu à leurs attentes, parce que l'apport de dioxyde de carbone à la surface ne pouvait pas suivre l'augmentation de la vitesse de réaction, passant ainsi à la production d'hydrogène au fil du temps.
Les chercheurs ont résolu ces problèmes grâce à l'utilisation d'une surface d'attraction de gaz placée à proximité immédiate du matériau catalytique. Ce matériau est un "gasphile" spécialement texturé, " matériau superhydrophobe qui repousse l'eau mais permet à une couche de gaz lisse appelée plastron de rester proche le long de sa surface. Il maintient le flux entrant de dioxyde de carbone contre le catalyseur afin que les réactions de conversion de dioxyde de carbone souhaitées puissent être maximisées. En utilisant indicateurs de pH à base de colorants, les chercheurs ont pu visualiser les gradients de concentration de dioxyde de carbone dans la cellule d'essai et montrer que la concentration accrue de dioxyde de carbone émane du plastron.
Dans une série d'expériences en laboratoire utilisant cette configuration, la vitesse de la réaction de conversion du carbone a presque doublé. Elle s'est également maintenue dans le temps, alors que dans les expériences précédentes, la réaction s'est rapidement estompée. Le système a produit des taux élevés d'éthylène, propanol, et l'éthanol, un carburant automobile potentiel. Pendant ce temps, le dégagement d'hydrogène concurrent a été fortement réduit. Bien que les nouveaux travaux permettent d'affiner le système pour produire le mélange de produits souhaité, dans certaines applications, l'optimisation de la production d'hydrogène comme carburant pourrait être le résultat souhaité, ce qui peut aussi être fait.
Ici, des colorants sont utilisés pour révéler les niveaux de concentration de dioxyde de carbone dans l'eau. Le vert montre les zones où le dioxyde de carbone est plus concentré, et le bleu montre les zones où il est épuisé. La zone verte à gauche montre le dioxyde de carbone restant concentré à côté du catalyseur, grâce au matériau attirant les gaz. Crédit :Groupe de recherche de Varanasi
"La métrique importante est la sélectivité, " Khan dit, se référant à la capacité de générer des composés précieux qui seront produits par un mélange donné de matériaux, textures, et tensions, et d'ajuster la configuration en fonction de la sortie souhaitée.
En concentrant le dioxyde de carbone près de la surface du catalyseur, le nouveau système a également produit deux nouveaux composés de carbone potentiellement utiles, acétone, et acétate, qui n'avaient pas été détectés auparavant dans de tels systèmes électrochimiques à des taux appréciables.
Dans ce premier travail de laboratoire, une seule bande de l'hydrophobe, un matériau attirant les gaz a été placé à côté d'une seule électrode de cuivre, mais dans les travaux futurs, un dispositif pratique pourrait être réalisé en utilisant un ensemble dense de paires de plaques entrelacées, Varanasi suggère.
Par rapport aux travaux antérieurs sur la réduction électrochimique du carbone avec des catalyseurs à nanostructure, Varanasi dit, « nous les surpassons tous de manière significative, car même si c'est le même catalyseur, c'est ainsi que nous livrons le dioxyde de carbone qui change la donne."
