Le réchauffement climatique continue de constituer une menace pour la société humaine et les systèmes écologiques, et le dioxyde de carbone représente la plus grande proportion des gaz à effet de serre qui dominent le réchauffement climatique.
Pour lutter contre le changement climatique et progresser vers l'objectif de neutralité carbone, des chercheurs de l'Université polytechnique de Hong Kong (PolyU) ont développé un dioxyde de carbone (CO2 durable, hautement sélectif et économe en énergie. ) système d'électroréduction capable de convertir le CO2 en éthylène à des fins industrielles pour fournir une solution efficace pour réduire le CO2 émissions.
La recherche a été publiée dans Nature Energy et a remporté une médaille d'or au 48ème Salon international des inventions de Genève en Suisse.
Éthylène (C2 H4 ) est l'un des produits chimiques les plus demandés au monde et est principalement utilisé dans la fabrication de polymères tels que le polyéthylène, qui, à leur tour, peuvent être utilisés pour fabriquer des plastiques et des fibres chimiques couramment utilisés dans la vie quotidienne. Cependant, il est encore principalement obtenu à partir de sources pétrochimiques et le processus de production implique la création d'une empreinte carbone très importante.
Dirigée par le professeur Daniel Lau, professeur titulaire de la chaire de nanomatériaux et chef du département de physique appliquée, l'équipe de recherche a adopté la méthode du CO2 électrocatalytique. réduction :utiliser l'électricité verte pour convertir le dioxyde de carbone en éthylène, offrant ainsi une alternative plus respectueuse de l'environnement et une production d'éthylène stable.
L'équipe de recherche travaille à promouvoir cette technologie émergente pour la rapprocher de la production de masse, bouclant la boucle du carbone et, à terme, atteignant la neutralité carbone.
L'innovation du professeur Lau consiste à renoncer à l'électrolyte alcalin et à utiliser de l'eau pure comme anolyte sans métal pour empêcher la formation de carbonate et le dépôt de sel. L'équipe de recherche appelle leur conception le système APMA, où A représente la membrane échangeuse d'anions (AEM), P représente la membrane échangeuse de protons (PEM) et MA indique l'assemblage de membrane résultant.
Lorsqu'une pile de cellules sans métal alcalin contenant de l'APMA et un électrocatalyseur en cuivre a été construite, elle a produit de l'éthylène avec une spécificité élevée de 50 %. Il a également pu fonctionner pendant plus de 1 000 heures avec un courant de niveau industriel de 10 A, ce qui représente une augmentation très significative de la durée de vie par rapport aux systèmes existants, ce qui signifie que le système peut être facilement étendu à une échelle industrielle.
D'autres tests ont montré que la formation de carbonates et de sels était supprimée, alors qu'il n'y avait aucune perte de CO2 ou électrolyte. Ceci est crucial, car les cellules précédentes utilisant des membranes bipolaires au lieu de l'APMA souffraient d'une perte d'électrolyte due à la diffusion d'ions métalliques alcalins depuis l'anolyte. La formation d'hydrogène en compétition avec l'éthylène, un autre problème affectant les systèmes antérieurs qui utilisaient des environnements cathodiques acides, a également été minimisée.
Une autre caractéristique clé du processus est l’électrocatalyseur spécialisé. Le cuivre est utilisé pour catalyser un large éventail de réactions dans l’industrie chimique. Cependant, le catalyseur spécifique utilisé par l'équipe de recherche a tiré parti de certaines caractéristiques distinctives.
Les millions de sphères de cuivre à l’échelle nanométrique présentaient des surfaces richement texturées, avec des marches, des défauts d’empilement et des limites de grains. Ces « défauts » – par rapport à une structure métallique idéale – ont fourni un environnement favorable au déroulement de la réaction.
Le professeur Lau a déclaré :« Nous travaillerons sur d'autres améliorations pour améliorer la sélectivité des produits et rechercherons des opportunités de collaboration avec l'industrie. Il est clair que cette conception de cellule APMA sous-tend une transition vers une production verte d'éthylène et d'autres produits chimiques précieux et peut contribuer à réduire les émissions de carbone et atteindre l'objectif de neutralité carbone."
Plus d'informations : Xiaojie She et al, Réduction électrocatalytique du CO2 alimentée en eau pure en éthylène, stabilité au-delà de 1 000 h à 10 A, Nature Energy (2024). DOI :10.1038/s41560-023-01415-4
Informations sur le journal : Énergie naturelle
Fourni par l'Université polytechnique de Hong Kong
