Un réacteur qui transforme le CO2 en combustible liquide
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.
Un réacteur qui utilise le CO2 pour produire de l’acide formique
Le réacteur catalytique mis au point par Haotian Wang, ingénieur en génie chimique et biomoléculaire à la Rice University, utilise du dioxyde de carbone (CO2) comme matière première et, dans son dernier prototype, produit de l’acide formique hautement purifié et à forte concentration.
L’acide formique produit par les dispositifs traditionnels à dioxyde de carbone nécessite des étapes de purification coûteuses et gourmandes en énergie, a ajouté Wang. La production directe de solutions d’acide formique pur contribuera à promouvoir les technologies commerciales de conversion du dioxyde de carbone.
Wang, qui a rejoint la Brown School of Engineering de Rice en janvier, et son groupe étudient les technologies permettant de transformer les gaz à effet de serre en produits utiles. Lors des tests, ce nouvel électrocatalyseur a atteint un rendement de conversion d’énergie d’environ 42%. Cela signifie que près de la moitié de l’énergie électrique peut être stockée dans de l’acide formique sous forme de carburant liquide.
« L’acide formique est un vecteur d’énergie », a déclaré Wang. «C’est un carburant à pile à combustible capable de générer de l’électricité et d’émettre du dioxyde de carbone – que vous pouvez récupérer et recycler.
«C’est également fondamental dans l’industrie chimique en tant que matière première pour d’autres produits chimiques et en tant que matériau de stockage de l’hydrogène pouvant contenir près de 1 000 fois l’énergie d’un volume équivalent d’hydrogène, ce qui est difficile à compresser», a-t-il déclaré. «C’est actuellement un grand défi pour les voitures à piles à hydrogène.»
Deux avancées ont rendu possible ce dispositif
Deux avancées ont rendu ce nouveau dispositif possible, a déclaré l’auteur principal et chercheur postdoctoral, Chuan Xia. Le premier consistait à mettre au point un catalyseur au bismuth robuste et bidimensionnel et le second à utiliser un électrolyte à l’état solide qui supprime le besoin de sel dans le cadre de la réaction.
« Le bismuth est un atome très lourd, comparé aux métaux de transition comme le cuivre, le fer ou le cobalt », a déclaré Wang. «Sa mobilité est beaucoup plus faible, en particulier dans des conditions de réaction. Cela stabilise donc le catalyseur. »Il a noté que ce réacteur était structuré de manière à empêcher l’eau d’entrer en contact avec le catalyseur, ce qui contribue également à sa préservation.
Xia peut fabriquer les nanomatériaux en vrac. « Actuellement, les gens produisent des catalyseurs à l’échelle du milligramme ou du gramme », a-t-il déclaré. «Nous avons développé un moyen de les produire au kilogramme. Cela facilitera l’intensification de notre processus pour l’industrie. »
L’électrolyte solide à base de polymère est recouvert de ligands d’acide sulfonique pour conduire des charges positives ou des groupes à fonction amino pour conduire des ions négatifs. « Habituellement, les gens réduisent le dioxyde de carbone contenu dans un électrolyte liquide traditionnel, tel que l’eau salée », a déclaré Wang. «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 afin que les ions puissent se déplacer librement dans l’eau.
«Mais lorsque vous générez de l’acide formique de cette façon, il se mélange aux sels», a-t-il déclaré. «Dans la majorité des applications, vous devez éliminer les sels du produit final, ce qui nécessite beaucoup d’énergie et de coût. Nous avons donc utilisé des électrolytes solides conduisant des protons et pouvant être constitués de polymères insolubles ou de composés inorganiques, éliminant ainsi le besoin de sels. ”
Ce réacteur produit une solution contenant près de 30% en poids d’acide formique
La vitesse à laquelle l’eau traverse la chambre de produit détermine la concentration de la solution. Le débit lent avec la configuration actuelle produit une solution contenant près de 30% en poids d’acide formique, tandis que des débits plus rapides permettent une personnalisation de la concentration. Les chercheurs s’attendent à atteindre des concentrations plus élevées pour les réacteurs de nouvelle génération acceptant le flux de gaz pour produire des vapeurs d’acide formique pur.
Le laboratoire Rice a collaboré avec le laboratoire national de Brookhaven pour visualiser le processus en cours. «La spectroscopie d’absorption des rayons X, une technique puissante qui nous permet de sonder la structure électronique des électrocatalyseurs en fonctionnement.
« Dans ce travail, nous avons suivi les états d’oxydation du bismuth à différents potentiels et avons pu identifier l’état actif du catalyseur lors de la réduction du dioxyde de carbone. », explique un des chercheurs à l’Université Rice.
Il pourrait générer de l’éthanol ou du propanol
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 ce réacteur pourrait être facilement réoutillé pour fabriquer des produits de valeur supérieure tels que l’acide acétique, de l’éthanol ou du propanol.
« La vue d’ensemble est que la réduction du dioxyde de carbone est très importante pour son effet sur le réchauffement planétaire ainsi que pour la synthèse de produits chimiques verts », a déclaré 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 une substance de grande valeur sans en émettre plus dans l’atmosphère.»
Cette recherche a été publiée dans Nature Energy.
Source : Rice University
Crédit photo : Pixabay