Une collaboration internationale de scientifiques a franchi une étape importante vers la réalisation d'une technologie presque « verte » à zéro carbone net qui convertira efficacement le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre majeur, et de l'hydrogène en éthanol, qui est utile comme carburant et a de nombreuses autres applications chimiques. L'étude présente une "feuille de route" pour naviguer avec succès dans cette réaction difficile et fournit une image de la séquence complète de la réaction à l'aide d'une modélisation théorique et d'une caractérisation expérimentale.

Dirigé par le laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), le groupe a déterminé qu'apporter du césium, le cuivre, et l'oxyde de zinc ensemble dans une configuration de contact étroit catalyse une voie de réaction qui transforme le dioxyde de carbone (CO 2 ) en éthanol (C2H6O). Ils ont également découvert pourquoi cette interface en trois parties est un succès. L'étude, qui est décrit dans un article de l'édition en ligne du 23 juillet du Journal de l'American Chemical Society et figure sur la couverture de la publication, mènera d'autres recherches sur la façon de développer un catalyseur industriel pratique pour convertir sélectivement le CO 2 en éthanol. De tels procédés conduiront à des technologies capables de recycler le CO 2 émis par la combustion et les convertir en produits chimiques ou combustibles utilisables.

Aucun des trois composants examinés dans l'étude n'est capable de catalyser individuellement le CO 2 -conversion en éthanol, ils ne peuvent pas non plus par paires. Mais quand le trio est réuni dans une certaine configuration, la région où ils se rencontrent ouvre une nouvelle voie pour la formation de liaisons carbone-carbone qui permet la conversion du CO 2 à l'éthanol possible. La clé de ceci est l'interaction bien réglée entre le césium, le cuivre, et les sites d'oxyde de zinc.

"Il y a eu beaucoup de travail sur la conversion du dioxyde de carbone en méthanol, pourtant, l'éthanol présente de nombreux avantages par rapport au méthanol. Comme carburant, l'éthanol est plus sûr et plus puissant. Mais sa synthèse est très difficile en raison de la complexité de la réaction et de la difficulté de contrôler la formation de liaisons C-C, " a déclaré le chercheur correspondant de l'étude, Ping Liu, chimiste de Brookhaven. « Nous savons maintenant quel type de configuration est nécessaire pour effectuer la transformation, et les rôles que chaque composant joue au cours de la réaction. C'est une grande avancée."

L'interface est formée en déposant d'infimes quantités de cuivre et de césium sur une surface d'oxyde de zinc. Pour étudier les régions où les trois matériaux se rencontrent, le groupe s'est tourné vers une technique aux rayons X appelée spectroscopie de photoémission X, qui a montré un changement probable dans le mécanisme de réaction pour le CO 2 hydrogénation lors de l'ajout de césium. Plus de détails ont été révélés à l'aide de deux approches théoriques largement utilisées :les calculs de la "théorie fonctionnelle de la densité", une méthode de modélisation informatique pour étudier les structures des matériaux, et "simulation de Monte Carlo cinétique, " simulation informatique pour simuler la cinétique de la réaction. Pour ce travail, le groupe a utilisé les ressources informatiques du Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials et du National Energy Research Scientific Computing Center du Lawrence Berkeley National Laboratory, les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

L'une des choses qu'ils ont apprises de la modélisation est que le césium est un composant vital du système actif. Sans sa présence, l'éthanol ne peut pas être fabriqué. En outre, une bonne coordination avec le cuivre et l'oxyde de zinc est également importante. Mais il y a beaucoup plus à apprendre.

« Il y a de nombreux défis à surmonter avant d'arriver à un processus industriel qui peut transformer le dioxyde de carbone en éthanol utilisable, " a déclaré le chimiste de Brookhaven José Rodriguez, qui a participé aux travaux. "Par exemple, il doit y avoir un moyen clair d'améliorer la sélectivité envers la production d'éthanol. Un enjeu clé est de comprendre le lien entre la nature du catalyseur et le mécanisme réactionnel; cette étude est en première ligne de cet effort. Nous visons une compréhension fondamentale du processus."

Un autre objectif de ce domaine de recherche est de trouver un catalyseur idéal pour le CO 2 conversion en alcools "supérieurs", qui ont deux atomes de carbone ou plus (l'éthanol en a deux) et sont, donc, plus utile et souhaitable pour les applications industrielles et la production de biens de consommation. Le catalyseur étudié dans ce travail est avantageux car les catalyseurs à base d'oxyde de cuivre et de zinc sont déjà très répandus dans l'industrie chimique et utilisés dans des procédés catalytiques tels que la synthèse de méthanol à partir de CO 2 .

Les chercheurs ont prévu des études de suivi à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II, également une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science, qui offre une suite unique d'outils et de techniques pour la caractérisation des catalyseurs en conditions de travail. Là, ils étudieront plus en détail le système Cu-Cs-ZnO et les catalyseurs de composition différente.