Derrière les émissions de nombreuses opérations industrielles se cache une ressource inexploitée :le dioxyde de carbone (CO₂ ). Contributeur aux gaz à effet de serre et au réchauffement climatique, il pourrait plutôt être capturé et converti en produits chimiques à valeur ajoutée.

Dans le cadre d'un projet collaboratif impliquant le Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), l'Université de l'Illinois du Nord et l'Université de Valparaiso, des scientifiques présentent une famille de catalyseurs qui convertissent efficacement le CO₂ en éthanol, acide acétique ou acide formique. Ces produits chimiques sont parmi les plus produits aux États-Unis et se retrouvent dans de nombreux produits commerciaux. Par exemple, l'éthanol est un ingrédient clé dans de nombreux produits ménagers et un additif dans presque toute l'essence américaine.

Les travaux sont publiés dans le Journal of the American Chemical Society .

Les catalyseurs sont à base d'étain métallique déposé sur un support en carbone. "S'ils sont pleinement développés, nos catalyseurs pourraient convertir le CO₂ produits à partir de diverses sources industrielles en produits chimiques précieux », a déclaré Di-Jia Liu. « Ces sources comprennent des centrales électriques à combustibles fossiles et des installations de biofermentation et de traitement des déchets. » Liu est chimiste principal à Argonne et scientifique principal à la Pritzker School of Génie moléculaire à l'Université de Chicago.

La méthode utilisée par l'équipe est appelée conversion électrocatalytique, ce qui signifie que le CO₂ la conversion sur un catalyseur est pilotée par l’électricité. En faisant varier la taille de l'étain utilisé, des atomes simples aux amas ultra-petits, en passant par les nanocristallites plus grands, l'équipe a pu contrôler le CO₂ conversion en acide acétique, éthanol et acide formique, respectivement. La sélectivité pour chacun de ces produits chimiques était de 90 % ou plus. "Notre découverte d'un changement de chemin de réaction en fonction de la taille du catalyseur est sans précédent", a déclaré Liu.

Des études informatiques et expérimentales ont révélé plusieurs informations sur les mécanismes réactionnels formant les trois hydrocarbures. Une découverte importante est que le chemin de réaction change complètement lorsque l’eau ordinaire utilisée dans la conversion est remplacée par de l’eau deutérée (le deutérium est un isotope de l’hydrogène). Ce phénomène est connu sous le nom d’effet isotopique cinétique. Cela n'a jamais été observé auparavant dans le CO₂ conversion.

Cette recherche a bénéficié de deux installations utilisateur du DOE Office of Science à Argonne :l'Advanced Photon Source (APS) et le Center for Nanoscale Materials (CNM).

"En utilisant les faisceaux de rayons X durs disponibles à l'APS, nous avons capturé les structures chimiques et électroniques des catalyseurs à base d'étain avec différentes charges d'étain", a déclaré Chengjun Sun, physicien d'Argonne. De plus, la haute résolution spatiale possible avec un microscope électronique à transmission au CNM a permis d'obtenir une image directe de la disposition des atomes d'étain, des atomes simples aux petits amas, avec les différentes charges de catalyseur.

Selon Liu, "Notre objectif ultime est d'utiliser l'électricité produite localement à partir de l'énergie éolienne et solaire pour produire les produits chimiques souhaités pour la consommation locale."

Cela nécessiterait d'intégrer les catalyseurs nouvellement découverts dans un électrolyseur à basse température pour réaliser le CO₂ conversion avec de l’électricité fournie par des énergies renouvelables. Les électrolyseurs à basse température peuvent fonctionner à une température et une pression proches de la température ambiante. Cela permet un démarrage et un arrêt rapides pour s'adapter à l'approvisionnement intermittent en énergie renouvelable. C'est une technologie idéale pour atteindre cet objectif.

"Si nous pouvons produire sélectivement uniquement les produits chimiques nécessaires à proximité du site, nous pouvons contribuer à réduire les émissions de CO₂ coûts de transport et de stockage", a noté Liu. "Ce serait vraiment une situation gagnant-gagnant pour les utilisateurs locaux de notre technologie."

Note de correction (24/05/2024) :cet article faisait précédemment référence à l'éthanol, à l'acide acétique et à l'acide formique comme des « hydrocarbures liquides » ; cependant, ce ne sont pas des hydrocarbures, car ils contiennent des atomes d'oxygène dans leurs molécules.