Une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Boon Siang Yeo du Département de chimie de l'Université nationale de Singapour (NUS) a développé une nouvelle façon de transformer le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, en hydrocarbures liquides précieux, qui sont les principales composants de combustibles comme l'essence et le combustible à réaction.
La recherche a été menée en collaboration avec le professeur Núria López, un expert en simulation de calcul de l'Institut de recherche chimique de Catalogne, d'Espagne, et du professeur Javier Pérez-Ramírez de Eth Zürich, en Suisse, qui apporte une vaste expertise dans la synthèse électro-et thermocatalytique. L'étude est publiée dans Catalyse de la nature.
Pendant des années, les scientifiques ont recherché des moyens efficaces de recycler le dioxyde de carbone en molécules riches en énergie, avec les deux objectifs de réduire les émissions nocives et de créer des carburants durables. La plupart des efforts se sont concentrés sur l'utilisation du cuivre comme matériau catalytique, car il a été démontré qu'il convertit le dioxyde de carbone en produits plus simples comme l'éthylène ou l'éthanol. Cependant, le cuivre a toujours échoué dans la production de chaînes d'hydrocarbures ramifiées plus longues, qui sont des composantes clés des carburants de haute qualité.
L'équipe a exploré un chemin différent de la production de carburant vert en utilisant un matériau à base de nickel pour catalyser la réduction électrochimique du dioxyde de carbone. En introduisant une petite quantité d'ions fluorures dans la structure du nickel ainsi qu'en appliquant une électrolyse potentielle pulsée, ils ont constaté qu'ils pouvaient affiner le processus catalytique.
Ces stratégies leur ont permis d'avoir un contrôle sans précédent sur les types d'hydrocarbures produits, en particulier pour déterminer si les molécules sont des chaînes droites ou ont des branches. Les hydrocarbures ramifiés sont particulièrement utiles car ils permettent aux carburants de brûler plus efficacement et avec des performances plus élevées, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans les véhicules et les avions.
L'étude présente de nouvelles stratégies pour promouvoir sélectivement la production d'hydrocarbures ramifiés. En appliquant une technique appelée électrolyse potentielle pulsée, où le biais électrique est varié en cycles périodiques, l'équipe a pu augmenter considérablement le rapport branche / linéaire des hydrocarbures avec cinq atomes de carbone ou plus, réalisant une amélioration de plus de 400% par rapport aux méthodes standard. De plus, le dopage du fluor dans le catalyseur nickel a aidé à maintenir son état d'oxydation dans des conditions de réduction, un facteur clé dans la promotion de la formation de chaînes d'hydrocarbures plus longues.
Bien qu'il soit largement étudié et modifié au cours de la dernière décennie, une limitation connue de catalyseurs à base de cuivre est l'incapacité de réduire le dioxyde de carbone à des quantités appréciables d'hydrocarbures à longue chaîne. Un aperçu clé de cette étude a été de comprendre comment les catalyseurs nickel et cuivre se comportent différemment au niveau moléculaire.
L'équipe a montré que les catalyseurs à base de nickel favorisent l'élimination de l'oxygène des intermédiaires de réaction et favorisent le couplage asymétrique entre les intermédiaires de monoxyde de carbone adsorbé (* CO) et les espèces d'hydrocarbures insaturés. Cela contraste avec les catalyseurs à base de cuivre, qui ont tendance à convertir les intermédiaires contenant de l'oxygène en alcools, ce qui arrête la croissance de chaînes d'hydrocarbures plus longues.
Ces propriétés distinctes signifient que sur les catalyseurs de nickel, les blocs de construction nécessaires pour des hydrocarbures plus longs et plus complexes sont plus susceptibles de se former et de se relier, ce qui donne des produits qui ressemblent plus étroitement à ceux fabriqués par le biais de processus industriels traditionnels à haute température tels que la synthèse de Fischer-Tropsch.
Le professeur Yeo a déclaré: « Ce travail rassemble une expertise complémentaire dans la synthèse des catalyseurs, l'étude mécaniste et la modélisation de calcul, qui nous permet de découvrir de nouveaux mécanismes et de stratégies de conception pour la réduction du dioxyde de carbone à des hydrocarbures à longue chaîne. Ce travail n'aurait pas été possible sans la collaboration intense entre expérimentaires et théoriciens. » «
Le professeur Lopez a déclaré: « Aucune de nos techniques individuellement n'est capable d'identifier univoque les étapes mécanistes clés – ce n'est que par une combinaison de résultats expérimentaux et de calcul. »
L'impact de cette étude va au-delà de l'avancement de la compréhension fondamentale des mécanismes d'électroduction du dioxyde de carbone. En développant des moyens de contrôler avec précision la structure des hydrocarbures produits à partir de dioxyde de carbone à l'aide de l'électricité, cette recherche ouvre de nouvelles voies pour le développement de carburants aéronautiques à la demande et de précurseurs chimiques. Ces progrès sont cruciaux pour soutenir le changement mondial vers des technologies plus propres.
