Les chercheurs ont développé un procédé alimenté par la lumière solaire utilisant du cuivre et du nitrure de carbone nanocristallin pour convertir efficacement le CO2 en méthanol, marquant ainsi une étape importante vers la production de carburant durable et la réduction du CO2. L'image ci-dessus représente le réacteur dans lequel le catalyseur est testé pour transformer le CO2 en méthanol. Crédit : Université de Nottingham
Des chercheurs ont réussi à transformer le CO2 en méthanol en faisant briller la lumière du soleil sur des atomes uniques de cuivre déposés sur un matériau activé par la lumière, une découverte qui ouvre la voie à la création de nouveaux carburants verts.
Une équipe internationale de chercheurs du Université de Nottinghaml'École de Chimie, Université de Birmingham, l'Université du Queensland et l'Université d'Ulm ont conçu un matériau composé de cuivre ancré sur du nitrure de carbone nanocristallin. Les atomes de cuivre sont imbriqués dans la structure nanocristalline, ce qui permet aux électrons de passer du nitrure de carbone au CO.2une étape essentielle dans la production de méthanol à partir de CO2 sous l'influence du rayonnement solaire. La recherche a été publiée dans le Énergie et carburants durables journal de la Royal Society of Chemistry.
Le défi de l’efficacité et de la sélectivité
En photocatalyse, la lumière est projetée sur un matériau semi-conducteur qui excite les électrons, leur permettant de voyager à travers le matériau pour réagir avec le CO.2 et l'eau, conduisant à une variété de produits utiles, dont le méthanol, qui est un carburant vert. Malgré des progrès récents, ce processus souffre d'un manque d'efficacité et de sélectivité.
Le dioxyde de carbone est le principal contributeur au réchauffement climatique. Bien qu’il soit possible de convertir le CO2 Aux produits utiles, les méthodes thermiques traditionnelles s'appuient sur de l'hydrogène provenant de combustibles fossiles. Il est important de développer des méthodes alternatives basées sur la photo et l'électrocatalyse, tirant parti de l'énergie solaire durable et de l'abondance de l'eau omniprésente.
Contrôle à l'échelle nanométrique pour une catalyse améliorée
Le Dr Madasamy Thangamuthu, chercheur à l'École de chimie de l'Université de Nottingham, qui a codirigé l'équipe de recherche, a déclaré : « Il existe une grande variété de matériaux différents utilisés en photocatalyse. Il est important que le photocatalyseur absorbe la lumière et sépare les porteurs de charge avec une grande efficacité. Dans notre approche, nous contrôlons la matière au à l'échelle nanométrique. Nous avons développé une nouvelle forme de nitrure de carbone avec des domaines cristallins à l’échelle nanométrique qui permettent une interaction efficace avec la lumière ainsi qu’une séparation de charges suffisante.
Le processus de conversion du CO2 en méthanol (carburant) par la lumière. Crédit : Université de Nottingham
Les chercheurs ont mis au point un procédé permettant de chauffer le nitrure de carbone jusqu'au degré de cristallinité requis, maximisant ainsi les propriétés fonctionnelles de ce matériau pour la photocatalyse. Grâce à la pulvérisation magnétron, ils ont déposé du cuivre atomique selon un processus sans solvant, permettant un contact intime entre le semi-conducteur et les atomes métalliques.
Des gains d’efficacité surprenants
Tara LeMercier, doctorante qui a mené les travaux expérimentaux à l'École de chimie de l'Université de Nottingham, a déclaré : « Nous avons mesuré le courant généré par la lumière et l'avons utilisé comme critère pour juger de la qualité du catalyseur. Même sans cuivre, la nouvelle forme de nitrure de carbone est 44 fois plus active que le nitrure de carbone traditionnel. Cependant, à notre grande surprise, l’ajout de seulement 1 mg de cuivre pour 1 g de nitrure de carbone a quadruplé cette efficacité. Plus important encore, la sélectivité est passée du méthane, un autre gaz à effet de serre, au méthanol, un carburant vert précieux.
Le professeur Andrei Khlobystov, de l’École de chimie de l’Université de Nottingham, a déclaré : « La valorisation du dioxyde de carbone est la clé pour atteindre l’ambition zéro émission nette du Royaume-Uni. Il est d’une importance vitale de garantir la durabilité de nos matériaux catalyseurs pour cette réaction importante. Un grand avantage du nouveau catalyseur est qu’il est constitué d’éléments durables – carbone, azote et cuivre – tous très abondants sur notre planète.
Cette invention représente une étape importante vers une compréhension approfondie des matériaux photocatalytiques dans la conversion du CO2. Cela ouvre la voie à la création de catalyseurs hautement sélectifs et réglables où le produit souhaité pourrait être sélectionné en contrôlant le catalyseur à l’échelle nanométrique.
Ce travail est financé par la subvention du programme EPSRC « Atomes métalliques sur les surfaces et interfaces (MASI) pour un avenir durable » www.masi.ac.uk, qui vise à développer des matériaux catalyseurs pour la conversion de trois molécules clés : le dioxyde de carbone, l'hydrogène, et l'ammoniac – d'une importance cruciale pour l'économie et l'environnement. Les catalyseurs MASI sont fabriqués de manière efficace sur le plan atomique afin de garantir une utilisation durable des éléments chimiques sans épuiser les réserves d'éléments rares et en exploitant la plupart des éléments abondants sur terre, tels que le carbone et les métaux de base.
