Un nouveau catalyseur fabriqué à partir d’un métal abondant et peu coûteux et de sucre de table commun a le pouvoir de détruire le dioxyde de carbone (CO2).
Dans une nouvelle étude de l’Université Northwestern, le catalyseur a réussi à convertir le CO2 en monoxyde de carbone (CO), un élément de base important pour produire une variété de produits chimiques utiles. Lorsque la réaction se produit en présence d’hydrogène par exemple, le CO2 et l’hydrogène se transforment en gaz de synthèse (ou syngas), un précurseur très précieux pour produire des carburants susceptibles de remplacer l’essence.
Avec les progrès récents dans les technologies de captage du carbone, le captage du carbone post-combustion devient une option plausible pour aider à lutter contre la crise mondiale du changement climatique. Mais la manière de gérer le carbone capturé reste une question ouverte. Le nouveau catalyseur pourrait potentiellement constituer une solution pour éliminer le puissant gaz à effet de serre en le convertissant en un produit plus précieux.
L’étude sera publiée dans le numéro du 3 mai de la revue Science.
“Même si nous arrêtions d’émettre du CO2 maintenant, notre atmosphère aurait toujours un excédent de CO2 en raison des activités industrielles des siècles passés”, a déclaré Milad Khoshooei de Northwestern, qui a codirigé l’étude. “Il n’y a pas de solution unique à ce problème. Nous devons réduire les émissions de CO2 et trouver de nouvelles façons de diminuer la concentration de CO2 déjà présente dans l’atmosphère. Nous devons profiter de toutes les solutions possibles. »
“Nous ne sommes pas le premier groupe de recherche à convertir le CO2 en un autre produit”, a déclaré Omar K. Farha de Northwestern, auteur principal de l’étude. “Cependant, pour que le processus soit véritablement pratique, il nécessite un catalyseur qui remplisse plusieurs critères cruciaux : prix abordable, stabilité, facilité de production et évolutivité. Il est essentiel d’équilibrer ces quatre éléments. Heureusement, notre matériau excelle pour répondre à ces exigences.”
Experte en technologies de captage du carbone, Farha est professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Après avoir commencé ce travail en tant que doctorat. candidat à l’Université de Calgary au Canada, Khoshooei est désormais chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Farha.
Des solutions du garde-manger
Le secret du nouveau catalyseur réside dans le carbure de molybdène, un matériau céramique extrêmement dur. Contrairement à de nombreux autres catalyseurs qui nécessitent des métaux coûteux, tels que le platine ou le palladium, le molybdène est un métal peu coûteux, non précieux et abondant sur Terre.
Pour transformer le molybdène en carbure de molybdène, les scientifiques avaient besoin d’une source de carbone. Ils ont découvert une option bon marché dans un endroit inattendu : le garde-manger. Étonnamment, le sucre – le sucre blanc granulé que l’on trouve dans presque tous les foyers – constituait une source pratique et peu coûteuse d’atomes de carbone.
“Chaque jour où j’essayais de synthétiser ces matériaux, j’apportais du sucre au laboratoire depuis chez moi”, a déclaré Khoshooei. “Par rapport à d’autres classes de matériaux couramment utilisés pour les catalyseurs, le nôtre est incroyablement bon marché.”
Avec succès sélectif et stable
Lors du test du catalyseur, Farha, Khoshooei et leurs collaborateurs ont été impressionnés par son succès. Fonctionnant à pression ambiante et à haute température (300-600 degrés Celsius), le catalyseur convertit le CO2 en CO avec une sélectivité de 100 %.
Une sélectivité élevée signifie que le catalyseur n’agit que sur le CO2 sans perturber les matériaux environnants. En d’autres termes, l’industrie pourrait appliquer le catalyseur à de grands volumes de gaz capturés et cibler sélectivement uniquement le CO2. Le catalyseur est également resté stable dans le temps, ce qui signifie qu’il est resté actif et ne s’est pas dégradé.
“En chimie, il n’est pas rare qu’un catalyseur perde sa sélectivité après quelques heures”, a expliqué Farha. “Mais après 500 heures dans des conditions difficiles, sa sélectivité n’a pas changé.”
Ceci est particulièrement remarquable car le CO2 est une molécule stable – et tenace.
“Convertir le CO2 n’est pas facile”, a déclaré Khoshooei. “Le CO2 est une molécule chimiquement stable, et nous avons dû surmonter cette stabilité, ce qui demande beaucoup d’énergie.”
Approche tandem pour le nettoyage du carbone
Le développement de matériaux pour le captage du carbone est un objectif majeur du laboratoire de Farha. Son groupe développe des structures organométalliques (MOF), une classe de matériaux hautement poreux de taille nanométrique que Farha compare à des « éponges de bain sophistiquées et programmables ». Farha explore les MOF pour diverses applications, notamment l’extraction directe du CO2 de l’air.
Farha affirme désormais que les MOF et le nouveau catalyseur pourraient travailler ensemble pour jouer un rôle dans le captage et la séquestration du carbone.
“À un moment donné, nous pourrions utiliser un MOF pour capturer le CO2, suivi d’un catalyseur le convertissant en quelque chose de plus bénéfique”, a suggéré Farha. “Un système tandem utilisant deux matériaux distincts pour deux étapes séquentielles pourrait être la voie à suivre.”
“Cela pourrait nous aider à répondre à la question : ‘Que faisons-nous du CO2 capturé ?'”, a ajouté Khoshooei. “À l’heure actuelle, il est prévu de le séquestrer sous terre. Mais les réservoirs souterrains doivent répondre à de nombreuses exigences afin de stocker le CO2 de manière sûre et permanente. Nous voulions concevoir une solution plus universelle, utilisable partout, tout en ajoutant de la valeur économique.”
L’étude, intitulée « Un catalyseur cubique actif et stable au carbure de molybdène pour la réaction inverse de conversion eau-gaz à haute température », a été financée par le ministère américain de l’Énergie, la National Science Foundation et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
2024-05-03 01:17:23
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