Des chercheurs de l'Université de Toronto Engineering ont développé un système électrochimique amélioré qui augmente la valeur du CO capturé 2 en en convertissant plus que jamais en produits de valeur.

L'Agence internationale de l'énergie a récemment cité le captage et le stockage du carbone comme l'une des stratégies pouvant aider à maintenir les émissions mondiales à un niveau suffisamment bas pour limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C d'ici 2050. Mais le carbone capturé a actuellement peu de valeur économique, réduire l'incitation des entreprises à investir dans cette technologie.

Une équipe d'ingénierie de l'Université de Toronto dirigée par le professeur Ted Sargent relève ce défi en concevant des électrolyseurs avancés qui utilisent l'électricité pour convertir le CO capturé 2 dans les blocs de construction pétrochimiques des matériaux courants du quotidien, du plastique au lycra. Cela aide à créer un marché pour le carbone capturé, tout en offrant une alternative à faible émission de carbone aux procédés de fabrication à base de combustibles fossiles utilisés aujourd'hui.

Contrairement aux systèmes précédents, la dernière conception de l'équipe peut être exécutée dans des conditions fortement acides, ce qui réduit les réactions secondaires indésirables et améliore l'efficacité globale.

« Dans les systèmes précédents, vous deviez choisir de vous concentrer sur une utilisation efficace de l'électricité, ou une utilisation efficace du carbone, " dit Sargent, auteur principal d'un nouvel article publié aujourd'hui dans Science . "Notre équipe a utilisé une nouvelle conception de catalyseur à l'intérieur de l'électrolyseur pour consommer une grande partie du carbone d'entrée, tout en gardant une bonne productivité vers des produits à haute valeur ajoutée."

Dans l'électrolyseur, CO capturé 2 est dissous dans un électrolyte liquide, qui s'écoule sur le catalyseur solide à travers lequel l'électricité est fournie.

"Ce que nous voulons, c'est que le CO dissous 2 dans le réacteur pour absorber les électrons et se convertir en éthylène et autres produits, " déclare le candidat au doctorat Jianan Erick Huang, l'un des trois co-auteurs principaux du nouvel article avec un autre doctorant. le candidat Adnan Ozden et le boursier postdoctoral Fengwang Li, qui poursuit maintenant des recherches similaires à l'Université de Sydney.

"Mais, dans les rapports antérieurs qui fonctionnaient à pH élevé, c'est-à-dire dans des conditions alcalines ou neutres, la plupart du CO 2 est gâché, parce qu'il est converti en carbonate à la place."

Huang dit que si le carbonate peut être extrait, converti en CO 2 et réintroduit dans l'électrolyseur, cela est énergétiquement coûteux. Les calculs de l'équipe montrent que plus de la moitié de l'énergie consommée par l'ensemble du système serait consacrée au recyclage du carbonate de cette manière.

Faire fonctionner l'électrolyseur sous un pH bas, ou des conditions acides, empêche la formation de carbonate, mais cela introduit un problème différent :maintenant la réaction la plus favorable est le dégagement d'hydrogène. Cela signifie que les ions hydrogène (c'est-à-dire protons) dans la solution acide absorbent des électrons et se convertissent en hydrogène gazeux, laissant peu d'électrons disponibles pour se combiner avec le CO 2 .

Huang et l'équipe ont traité ce problème en utilisant deux stratégies combinées. D'abord, dans des conditions acides, ils ont augmenté la densité de courant, inondant le réacteur d'électrons. Les ions hydrogène se sont précipités pour réagir avec eux, mais ils se sont retrouvés pris dans un embouteillage moléculaire – le terme technique est limitation du transport de masse.

"En effet, nous créons un réacteur qui est acide partout, à l'exception d'une minuscule couche à moins de 50 micromètres de la surface du catalyseur, " dit Huang. " Dans cette région spécifique, ce n'est pas acide, en fait c'est légèrement alcalin. Là, CO 2 peuvent être réduits en éthylène par ces électrons."

L'étape suivante consistait à ajouter un ion chargé positivement, dans ce cas le potassium, à la réaction. Cela a créé un champ électrique près du catalyseur qui a facilité la production de CO 2 adsorber à la surface, lui donnant l'avantage dans la concurrence avec l'hydrogène.

Les deux changements ont fait une grande différence. Les systèmes précédents utilisaient généralement moins de 15 % du carbone disponible, perdre le reste en carbonate. Le nouveau système utilise environ 77% du carbone disponible, dont plus de 50 % sont convertis en produits multicarbonés tels que l'éthylène et l'éthanol. (Les 27% restants vont aux produits à un seul carbone tels que le monoxyde de carbone et l'acide formique.)

"Cette percée contribue à ouvrir la voie à un avenir économiquement viable pour le CO 2 utilisation même avec un CO élevé 2 les coûts de capture aujourd'hui, " dit le Dr Philip Llewellyn, Responsable Captage et Utilisation du Carbone (CCUS) pour TOTAL SE, qui a soutenu financièrement la recherche. « Lorsque l'on considère davantage les augmentations prévues de la taxe sur le carbone nécessaires pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux, cela représente une accélération significative de l'impact time-to-market et time-to-climat pour le CO 2 électrolyseurs."

Il y a encore des obstacles à surmonter avant que ce système puisse être étendu à un niveau industriel, y compris la stabilité du catalyseur lorsque sa taille est augmentée et la nécessité d'encore plus d'économies d'énergie. Toujours, Huang est fier de ce que l'équipe a accompli.

"En créant un réacteur acide à un endroit et alcalin à un autre, nous avons dépassé une limite théorique, " dit-il. " Nous n'avons pas à choisir entre l'efficacité carbone et l'efficacité électronique :nous pouvons optimiser les deux pour obtenir le meilleur système global. ça va être difficile, mais je pense que maintenant c'est faisable."