Ce schéma montre l'électrolyseur développé à l'Université Rice pour réduire le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, aux carburants précieux. À gauche se trouve un catalyseur qui sélectionne le dioxyde de carbone et le réduit en un formiate chargé négativement, qui est tiré à travers une couche de diffusion de gaz (GDL) et la membrane échangeuse d'anions (AEM) dans l'électrolyte central. À droite, un catalyseur de réaction de dégagement d'oxygène (OER) génère des protons positifs à partir de l'eau et les envoie à travers la membrane échangeuse de cations (CEM). Les ions se recombinent en acide formique ou en d'autres produits qui sont évacués du système par l'eau et le gaz déionisés (DI). Crédit :Chuan Xia et Demin Liu/Rice University
Un gaz à effet de serre commun pourrait être réutilisé de manière efficace et respectueuse de l'environnement avec un électrolyseur qui utilise de l'électricité renouvelable pour produire des carburants liquides purs.
Le réacteur catalytique développé par le laboratoire de l'Université Rice de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Haotian Wang utilise du dioxyde de carbone comme matière première et, dans son dernier prototype, produit des concentrations hautement purifiées et élevées d'acide formique.
L'acide formique produit par les dispositifs traditionnels au dioxyde de carbone nécessite des étapes de purification coûteuses et énergivores, a dit Wang. La production directe de solutions d'acide formique pur contribuera à promouvoir les technologies commerciales de conversion du dioxyde de carbone.
La méthode est détaillée dans Énergie naturelle .
Wang, qui a rejoint la Brown School of Engineering de Rice en janvier, et son groupe recherchent des technologies qui transforment les gaz à effet de serre en produits utiles. Dans les essais, le nouvel électrocatalyseur a atteint un rendement de conversion énergétique d'environ 42 %. Cela signifie que près de la moitié de l'énergie électrique peut être stockée dans l'acide formique sous forme de carburant liquide.
"L'acide formique est un vecteur d'énergie, ", a déclaré Wang. "C'est un combustible de pile à combustible qui peut générer de l'électricité et émettre du dioxyde de carbone, que vous pouvez récupérer et recycler à nouveau.
« Il est également fondamental dans l'industrie du génie chimique en tant que matière première pour d'autres produits chimiques, et un matériau de stockage d'hydrogène pouvant contenir près de 1, 000 fois l'énergie du même volume d'hydrogène gazeux, qui est difficile à compresser, ", a-t-il déclaré. "C'est actuellement un grand défi pour les voitures à pile à combustible à hydrogène."
L'ingénieur de l'Université Rice, Haotian Wang, ajuste le réacteur d'électrocatalyse construit dans son laboratoire pour recycler le dioxyde de carbone afin de produire du carburant liquide. Le réacteur est conçu pour être un moyen efficace et rentable de réutiliser le gaz à effet de serre et de le maintenir hors de l'atmosphère. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Deux avancées ont rendu possible le nouvel appareil, a déclaré l'auteur principal et chercheur postdoctoral de Rice Chuan Xia. Le premier était son développement d'un robuste, un catalyseur au bismuth bidimensionnel et le second un électrolyte à l'état solide qui élimine le besoin de sel dans le cadre de la réaction.
"Le bismuth est un atome très lourd, par rapport aux métaux de transition comme le cuivre, fer ou cobalt, " a déclaré Wang. " Sa mobilité est beaucoup plus faible, en particulier dans les conditions de réaction. Cela stabilise donc le catalyseur. » Il a noté que le réacteur est structuré pour empêcher l'eau d'entrer en contact avec le catalyseur, ce qui permet aussi de le préserver.
Xia peut fabriquer les nanomatériaux en vrac. "Actuellement, les gens produisent des catalyseurs à l'échelle du milligramme ou du gramme, " at-il dit. "Nous avons développé un moyen de les produire à l'échelle du kilogramme. Cela facilitera la mise à l'échelle de notre processus pour l'industrie. »
L'électrolyte solide à base de polymère est recouvert de ligands d'acide sulfonique pour conduire une charge positive ou de groupes fonctionnels aminés pour conduire des ions négatifs. "Habituellement, les gens réduisent le dioxyde de carbone dans un électrolyte liquide traditionnel comme l'eau salée, " Wang a dit. " Vous voulez que l'électricité soit conduite, mais l'électrolyte d'eau pure est trop résistant. Vous devez ajouter des sels comme le chlorure de sodium ou le bicarbonate de potassium pour que les ions puissent se déplacer librement dans l'eau.
"Mais quand vous générez de l'acide formique de cette façon, il se mélange aux sels, " a-t-il déclaré. " Pour la majorité des applications, vous devez éliminer les sels du produit final, ce qui demande beaucoup d'énergie et de coût. Nous avons donc utilisé des électrolytes solides conducteurs de protons et pouvant être constitués de polymères insolubles ou de composés inorganiques, éliminant le besoin de sels."
Un réacteur d'électrocatalyse construit à l'Université Rice recycle le dioxyde de carbone pour produire des solutions de combustible liquide pur en utilisant l'électricité. Les scientifiques à l'origine de l'invention espèrent qu'elle deviendra un moyen efficace et rentable de réutiliser le gaz à effet de serre et de le garder hors de l'atmosphère. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
La vitesse à laquelle l'eau s'écoule à travers la chambre de produit détermine la concentration de la solution. Le débit lent avec la configuration actuelle produit une solution contenant près de 30 % d'acide formique en poids, tandis que des débits plus rapides permettent de personnaliser la concentration. Les chercheurs s'attendent à obtenir des concentrations plus élevées à partir de réacteurs de nouvelle génération qui acceptent le flux de gaz pour faire ressortir des vapeurs d'acide formique pur.
Le laboratoire Rice a travaillé avec le laboratoire national de Brookhaven pour voir le processus en cours. "Spectroscopie d'absorption des rayons X, une technique puissante disponible sur la ligne de lumière de la spectroscopie de la coque interne (ISS) de la source de lumière synchrotron nationale II de Brookhaven Lab, permet de sonder la structure électronique des électrocatalyseurs in operando, c'est-à-dire pendant le processus chimique proprement dit, " a déclaré le co-auteur Eli Stavitski, scientifique en chef des lignes de lumière à l'ISS. "Dans ce travail, nous avons suivi les états d'oxydation du bismuth à différents potentiels et avons pu identifier l'état actif du catalyseur pendant la réduction du dioxyde de carbone."
Avec son réacteur actuel, le laboratoire a généré de l'acide formique en continu pendant 100 heures avec une dégradation négligeable des composants du réacteur, y compris les catalyseurs à l'échelle nanométrique. Wang a suggéré que le réacteur pourrait être facilement rééquipé pour produire des produits de plus grande valeur comme l'acide acétique, carburants à l'éthanol ou au propanol.
"Le tableau d'ensemble est que la réduction du dioxyde de carbone est très importante pour son effet sur le réchauffement climatique ainsi que pour la synthèse chimique verte, " a dit Wang. " Si l'électricité provient de sources renouvelables comme le soleil ou le vent, nous pouvons créer une boucle qui transforme le dioxyde de carbone en quelque chose d'important sans en émettre plus."
