Le dioxyde de carbone est le gaz à effet de serre, responsable à lui seul de 78 % du changement du bilan énergétique de l'atmosphère terrestre entre 1990 et 2022.

Sous-produit de la combustion de combustibles fossiles, le dioxyde de carbone pénètre dans l’atmosphère à partir des gaz d’échappement des voitures et des centrales électriques au charbon. Même certaines ressources énergétiques renouvelables produisent une petite quantité de dioxyde de carbone, mais à une infime fraction de la quantité créée par le charbon et le gaz naturel.

À la base, cette molécule n'est qu'un arrangement d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène qui peuvent être réorganisés grâce à un processus appelé réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO₂ R) en carburants propres et produits chimiques utiles. Mais le processus se fait souvent à perte, avec des processus concurrents tirant les atomes dans des directions indésirables qui créent des sous-produits indésirables.

Dans un article publié aujourd'hui dans Nature Catalysis , des chercheurs du laboratoire Amanchukwu de la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering ont décrit un moyen de manipuler les molécules d'eau pour produire du CO₂. R plus efficace, dans le but ultime de créer une boucle d'énergie propre.

Grâce à leur nouvelle méthode, l'équipe a pu réaliser des analyses CO₂ R avec une efficacité de près de 100 % dans des conditions légèrement acides, en utilisant de l'or ou du zinc comme catalyseurs.

"Imaginez que nous puissions avoir de l'électricité verte à partir de l'énergie solaire et éolienne, puis utiliser cette électricité pour reconvertir le dioxyde de carbone en carburant", a déclaré PME Ph.D. candidat Reggie Gomes, premier auteur du nouvel article.

Rivaliser avec ELLE

Le démontage électrochimique d’une molécule s’apparente à un coup de frein dans une partie de billard. L'arrangement précédent disparaît et les boules se dispersent sur la table, s'immobilisant dans de nouvelles combinaisons, pas toujours celles souhaitées par le joueur.

De même, les chercheurs effectuant des analyses CO₂ R utiliser l’électricité et l’eau pour décomposer et réorganiser les gaz à effet de serre nocifs. Cela envoie des atomes de carbone et d'oxygène du dioxyde de carbone caroming à travers la table avec des atomes d'hydrogène de l'eau.

Si cela fonctionne comme prévu, les atomes forment d'autres molécules plus souhaitables qui peuvent être utilisées comme carburants ou produits chimiques.

Mais à mesure que les atomes se dispersent, des appariements stables de deux atomes d’hydrogène se forment souvent, un processus appelé réaction de dégagement d’hydrogène (HER). Cela rend le CO₂ R moins efficace, car l'énergie et les atomes qui deviennent de l'hydrogène gazeux ne peuvent pas faire partie des molécules que les scientifiques essayaient de créer.

Même dans de petites quantités d'eau, le CO₂ R est toujours en compétition avec ELLE.

Le laboratoire Amanchukwu, réputé pour ses recherches sur les batteries, a appliqué les connaissances des batteries aqueuses au problème, en supposant que le contrôle de l'eau avec des solvants organiques pourrait fournir une solution.

Tout ce qui brille

Les deux CO₂ R et HER dépendent de l’eau comme donneur de protons. À l'aide de solvants organiques et d'additifs acides, l'équipe a pu ajuster le comportement de l'eau, trouvant le point idéal où elle donne la bonne quantité de protons pour créer les molécules souhaitées, et non l'hydrogène gazeux et d'autres matériaux indésirables comme les carbonates.

"En chimie générale, nous apprenons que le dioxyde de carbone réagit avec l'hydroxyde pour former du carbonate. Ce n'est pas souhaité car cela épuise la molécule que nous voulons valoriser", a déclaré Chibueze Amanchukwu, professeur adjoint de génie moléculaire de la famille Neubauer.

La plupart des moyens les plus efficaces d'effectuer du CO₂ R dépend des métaux précieux.

"Le platine, l'argent, l'or :à des fins de recherche, ce sont d'excellents catalyseurs", a déclaré Gomes. "Ce sont des matériaux très stables. Mais quand on pense à des applications industrielles, leur coût devient prohibitif."

En concevant l'électrolyte, la nouvelle méthode peut obtenir des résultats similaires en utilisant des matériaux moins chers et plus abondants.

"À l'heure actuelle, la meilleure façon de procéder électrochimiquement à température ambiante est d'utiliser des métaux précieux. L'or et l'argent peuvent supprimer un peu la réaction de dégagement d'hydrogène", a déclaré Amanchukwu. "Grâce à notre découverte, nous pouvons désormais utiliser un métal abondant sur terre, le zinc, car nous disposons désormais d'un moyen distinct pour contrôler l'eau."