Les scientifiques ont mis au point une stratégie pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère en précieuses nanofibres de carbone. Le processus utilise des réactions électrocatalytiques (anneau bleu) et thermocatalytiques (anneau orange) pour convertir le CO2 (molécules bleu sarcelle et argent) plus l’eau (violet et bleu sarcelle) en nanofibres de carbone « fixes » (argent), produisant de l’hydrogène gazeux (H2, violet). ) comme sous-produit bénéfique. Les nanofibres de carbone pourraient être utilisées pour renforcer des matériaux de construction tels que le ciment et retenir le carbone pendant des décennies. Crédit : Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory et Columbia University ; Laboratoire national Erwei Huang/Brookhaven
La conversion tandem électrocatalytique-thermocatalytique pourrait aider à compenser les émissions de gaz à effet de serre puissants en piégeant le carbone dans un matériau utile.
Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) et Université de Colombie ont développé un moyen de convertir le dioxyde de carbone (CO2), un puissant gaz à effet de serre, en nanofibres de carbone, des matériaux dotés d’un large éventail de propriétés uniques et de nombreuses utilisations potentielles à long terme. Leur stratégie utilise des réactions électrochimiques et thermochimiques en tandem se déroulant à des températures et à une pression ambiante relativement basses. Comme le décrivent les scientifiques dans la revue Catalyse naturellecette approche pourrait réussir à emprisonner le carbone sous une forme solide utile pour compenser, voire atteindre des émissions de carbone négatives.
« Vous pouvez mettre les nanofibres de carbone dans le ciment pour renforcer le ciment », a déclaré Jingguang Chen, professeur de génie chimique à Columbia avec une nomination conjointe au Brookhaven Lab et qui a dirigé la recherche. « Cela emprisonnerait le carbone dans le béton pendant au moins 50 ans, voire plus. D’ici là, le monde devrait s’orienter vers des sources d’énergie essentiellement renouvelables qui n’émettent pas de carbone.»
En prime, le processus produit également de l’hydrogène gazeux (H2), un carburant alternatif prometteur qui, une fois utilisé, ne génère aucune émission.
La stratégie tandem électrocatalytique-thermocatalytique pour la production de CNF contourne les contraintes thermodynamiques en combinant la co-électrolyse du CO2 et de l’eau en gaz de synthèse (CO et H2) avec un processus thermochimique ultérieur dans des conditions douces (370-450 °C, pression ambiante). Cela donne un taux de production de CNF élevé. La synergie optimale de l’alliage fer-cobalt (FeCo) et du Co extra métallique a amélioré l’activation dissociative du gaz de synthèse, favorisant la formation de liaisons carbone-carbone pour la production de CNF. Crédit : Zhenhua Xie/Laboratoire national de Brookhaven et Université de Columbia
Capter ou convertir le carbone
L’idée de capter le CO2 ou le convertir en d’autres matériaux pour lutter contre le changement climatique n’est pas nouveau. Mais simplement stocker du CO2 le gaz peut entraîner des fuites. Et beaucoup de CO2 les conversions produisent des produits chimiques ou des carburants à base de carbone qui sont utilisés immédiatement, ce qui libère du CO2 de retour dans l’atmosphère.
« La nouveauté de ce travail est que nous essayons de convertir le CO2 en quelque chose à valeur ajoutée mais sous une forme solide et utile », a déclaré Chen.
Ces matériaux carbonés solides, notamment les nanotubes et nanofibres de carbone dont les dimensions mesurent des milliardièmes de mètre, possèdent de nombreuses propriétés attrayantes, notamment la résistance et la conductivité thermique et électrique. Mais il n’est pas simple d’extraire le carbone du dioxyde de carbone et de l’assembler dans ces structures à échelle fine. Un processus direct, alimenté par la chaleur, nécessite des températures supérieures à 1 000 degrés. Celsius.
«C’est très irréaliste pour une production de CO à grande échelle2 atténuation », a déclaré Chen. « En revanche, nous avons découvert un processus qui peut se produire à environ 400 degrés Celsius, ce qui est une température beaucoup plus pratique et réalisable industriellement. »
La microscopie électronique à transmission (TEM) à haute résolution montre la pointe de la nanofibre de carbone résultante (à gauche) sur le thermocatalyseur fer-cobalt/oxyde de cérium (FeCo/CeO2). Les scientifiques ont cartographié la structure et la composition chimique des nanofibres de carbone nouvellement formées (à droite) à l’aide de la microscopie électronique à transmission par balayage (STEM), de l’imagerie sur fond noir annulaire à grand angle (HAADF) et de la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS) (la barre d’échelle représente 8 nanomètres). Les images montrent que les nanofibres sont constituées de carbone (C) et révèlent que les métaux catalytiques, le fer (Fe) et le cobalt (Co), sont repoussés de la surface catalytique et s’accumulent à la pointe de la nanofibre. Crédit : Centre des nanomatériaux fonctionnels/Laboratoire national de Brookhaven
Le tandem en deux temps
L’astuce consistait à diviser la réaction en étapes et à utiliser deux types différents de catalyseurs : des matériaux qui facilitent la réunion et la réaction des molécules.
« Si vous dissociez la réaction en plusieurs sous-étapes de réaction, vous pouvez envisager d’utiliser différents types d’apport d’énergie et de catalyseurs pour faire fonctionner chaque partie de la réaction », ont déclaré Zhenhua Xie, chercheur scientifique au Brookhaven Lab et à Columbia, auteur principal de l’article.
Les scientifiques ont commencé par se rendre compte que le monoxyde de carbone (CO) était une bien meilleure matière première que le CO.2 pour fabriquer des nanofibres de carbone (CNF). Ils ont ensuite fait marche arrière pour trouver le moyen le plus efficace de générer du CO à partir du CO.2.
Des travaux antérieurs de leur groupe les ont incités à utiliser un produit disponible dans le commerce. électrocatalyseur en palladium supporté sur carbone. Les électrocatalyseurs entraînent des réactions chimiques à l’aide d’un courant électrique. En présence d’électrons et de protons en circulation, le catalyseur divise à la fois le CO2 et de l’eau (H2O) en CO et H2.
Pour la deuxième étape, les scientifiques se sont tournés vers un système activé par la chaleur. thermocatalyseur fait d’un fer-cobalt alliage. Il fonctionne à des températures d’environ 400 degrés Celsius, nettement plus douces qu’un CO direct.2-une conversion en CNF serait nécessaire. Ils ont également découvert que l’ajout d’un peu de cobalt métallique supplémentaire améliore considérablement la formation des nanofibres de carbone.
« En couplant l’électrocatalyse et la thermocatalyse, nous utilisons ce processus tandem pour réaliser des choses qui ne peuvent être réalisées par l’un ou l’autre processus seul », a déclaré Chen.
Caractérisation du catalyseur
Pour découvrir les détails du fonctionnement de ces catalyseurs, les scientifiques ont mené un large éventail d’expériences. Celles-ci comprenaient des études de modélisation informatique, des études de caractérisation physique et chimique à la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) du Brookhaven Lab, utilisant les lignes de lumière d’absorption et de diffusion rapides des rayons X (QAS) et de spectroscopie à coque interne (ISS) et l’imagerie microscopique. à l’installation de microscopie électronique du Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) du Laboratoire.
Sur le plan de la modélisation, les scientifiques ont utilisé des calculs de « théorie fonctionnelle de la densité » (DFT) pour analyser les arrangements atomiques et d’autres caractéristiques des catalyseurs lors de leur interaction avec l’environnement chimique actif.
« Nous examinons les structures pour déterminer quelles sont les phases stables du catalyseur dans des conditions de réaction », a expliqué Ping Liu, co-auteur de l’étude de la division de chimie de Brookhaven, qui a dirigé ces calculs. « Nous étudions les sites actifs et la manière dont ces sites se lient aux intermédiaires de réaction. En déterminant les barrières, ou états de transition, d’une étape à l’autre, nous apprenons exactement comment le catalyseur fonctionne pendant la réaction.
Les expériences de diffraction des rayons X et d’absorption des rayons X au NSLS-II ont suivi la façon dont les catalyseurs changent physiquement et chimiquement au cours des réactions. Par exemple, les rayons X synchrotron ont révélé comment la présence de courant électrique transforme le palladium métallique présent dans le catalyseur en hydrure de palladium, un métal essentiel à la production à la fois de H2 et CO dans la première étape de réaction.
Pour la deuxième étape, « nous voulions savoir quelle est la structure du système fer-cobalt dans les conditions de réaction et comment optimiser le catalyseur fer-cobalt », a déclaré Xie. Les expériences aux rayons X ont confirmé qu’un alliage de fer et de cobalt ainsi qu’un peu de cobalt métallique supplémentaire sont présents et nécessaires pour convertir le CO en nanofibres de carbone.
« Les deux travaillent ensemble de manière séquentielle », a déclaré Liu, dont les calculs DFT ont contribué à expliquer le processus.
« Selon notre étude, les sites cobalt-fer présents dans l’alliage aident à rompre les liaisons CO du monoxyde de carbone. Cela rend le carbone atomique disponible pour servir de source à la construction de nanofibres de carbone. Ensuite, le cobalt supplémentaire est là pour faciliter la formation des liaisons CC qui relient les atomes de carbone », a-t-elle expliqué.
Prêt au recyclage, carbone négatif
« L’analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) menée au CFN a révélé les morphologies, les structures cristallines et les distributions élémentaires au sein des nanofibres de carbone avec et sans catalyseurs », a déclaré Sooyeon Hwang, scientifique du CFN et co-auteur de l’étude.
Les images montrent qu’à mesure que les nanofibres de carbone se développent, le catalyseur est poussé vers le haut et loin de la surface. Cela facilite le recyclage du métal catalytique, a déclaré Chen.
« Nous utilisons acide pour lessiver le métal sans détruire les nanofibres de carbone afin que nous puissions concentrer les métaux et les recycler pour les utiliser à nouveau comme catalyseur », a-t-il déclaré.
Cette facilité de recyclage des catalyseurs, la disponibilité commerciale des catalyseurs et les conditions de réaction relativement douces pour la deuxième réaction contribuent toutes à une évaluation favorable de l’énergie et des autres coûts associés au processus, ont indiqué les chercheurs.
« Pour les applications pratiques, les deux sont vraiment importants : le CO2 analyse de l’empreinte et la recyclabilité du catalyseur », a déclaré Chen. « Nos résultats techniques et ces autres analyses montrent que cette stratégie tandem ouvre la porte à la décarbonation du CO.2 en produits de carbone solide précieux tout en produisant du H renouvelable2.»
Si ces processus étaient pilotés par des énergies renouvelables, les résultats seraient véritablement négatifs en carbone, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités pour le CO.2 atténuation.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du DOE (BES). Les calculs DFT ont été effectués à l’aide des ressources informatiques du CFN et du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE. NSLS-II, CFN et NERSC sont des installations utilisateur du DOE Office of Science.
