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« Découverte sans précédent » – Un nouveau catalyseur à faible coût convertit le dioxyde de carbone en produits chimiques précieux

SciTechDaily

Les chercheurs ont développé un catalyseur à base d'étain qui convertit efficacement le CO2 en produits chimiques clés comme l'éthanol et l'acide acétique par conversion électrocatalytique, avec des applications potentielles dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre en utilisant des sources d'énergie renouvelables.

Un catalyseur à base d'étain peu coûteux peut convertir sélectivement le dioxyde de carbone en trois produits chimiques largement produits : l'éthanol et l'acétique. acideet l'acide formique.

Derrière les émissions de nombreuses opérations industrielles se cache une ressource inexploitée : le dioxyde de carbone (CO2). Contributeur aux gaz à effet de serre et au réchauffement climatique, il pourrait plutôt être capté et converti en produits chimiques à valeur ajoutée.

Dans le cadre d'un projet collaboratif impliquant le laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie (DOE), l'université du nord de l'Illinois et l'université de Valparaiso, des scientifiques signalent une famille de catalyseurs qui convertit efficacement le CO2 en éthanol, acide acétique ou acide formique. Ces hydrocarbures liquides comptent parmi les produits chimiques les plus produits aux États-Unis et se retrouvent dans de nombreux produits commerciaux. Par exemple, l’éthanol est un ingrédient clé dans de nombreux produits ménagers et un additif dans presque toute l’essence américaine.

Méthode de conversion électrocatalytique

La méthode utilisée par l'équipe est appelée conversion électrocatalytique, ce qui signifie que le CO2 la conversion sur un catalyseur est pilotée par l’électricité. En faisant varier la taille de l'étain utilisé, des atomes simples aux amas ultra-petits, en passant par les nanocristallites plus grands, l'équipe a pu contrôler le CO2 conversion en acide acétique, éthanol et acide formique, respectivement. La sélectivité pour chacun de ces produits chimiques était de 90 % ou plus. « Notre découverte d'un chemin de réaction changeant en fonction de la taille du catalyseur est sans précédent », a déclaré Liu.

Des études informatiques et expérimentales ont révélé plusieurs informations sur les mécanismes réactionnels formant les trois hydrocarbures. Une découverte importante est que le chemin de réaction change complètement lorsque l’eau ordinaire utilisée dans la conversion est remplacée par de l’eau deutérée (le deutérium est un isotope de l’hydrogène). Ce phénomène est connu sous le nom d’effet isotopique cinétique. Il n'a jamais été observé auparavant dans le CO2 conversion.

Haozhe Zhang et Jianxin Wang

Des chercheurs expérimentent des catalyseurs à base d'étain qui convertissent efficacement le CO2 en éthanol, acide acétique ou acide formique. Sur l'image figurent les chercheurs d'Argonne Haozhe Zhang et Jianxin Wang. Crédit : Laboratoire National d'Argonne

Cette recherche a bénéficié de deux installations utilisateur du DOE Office of Science à Argonne : la Advanced Photon Source (APS) et le Center for Nanoscale Materials (CNM). « En utilisant les faisceaux de rayons X durs disponibles à l'APS, nous avons capturé les structures chimiques et électroniques des catalyseurs à base d'étain avec différentes charges d'étain », a déclaré Chengjun Sun, physicien d'Argonne. De plus, la haute résolution spatiale possible avec un microscope électronique à transmission au CNM a permis d'obtenir une image directe de la disposition des atomes d'étain, des atomes simples aux petits amas, avec les différentes charges de catalyseur.

Selon Liu, « Notre objectif ultime est d'utiliser l'électricité produite localement à partir de l'énergie éolienne et solaire pour produire les produits chimiques souhaités pour la consommation locale. »

Cela nécessiterait d'intégrer les catalyseurs nouvellement découverts dans un électrolyseur à basse température pour réaliser le CO2 conversion avec de l’électricité fournie par des énergies renouvelables. Les électrolyseurs à basse température peuvent fonctionner à une température et une pression proches de la température ambiante. Cela permet un démarrage et un arrêt rapides pour s'adapter à l'approvisionnement intermittent en énergie renouvelable. C’est une technologie idéale pour atteindre cet objectif.

« Si nous pouvons produire de manière sélective uniquement les produits chimiques dont nous avons besoin à proximité du site, nous pouvons contribuer à réduire les émissions de CO.2 les coûts de transport et de stockage », a noté Liu. « Ce serait vraiment une situation gagnant-gagnant pour les utilisateurs locaux de notre technologie. »

Le soutien à la recherche est venu de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, relevant de l'Office de fabrication avancée, de l'Office de l'efficacité industrielle et de la décarbonisation. Un soutien supplémentaire a été fourni par le fonds de recherche et de développement dirigé par les laboratoires d'Argonne.

cc NATO Training Mission-Afghanistan, modified, Flickr, Operation Enduring Freedom

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