Des chercheurs de l’Université de Toronto en génie ont mis au point un nouveau catalyseur qui convertit efficacement le carbone capturé en produits de valeur tels que l’éthylène et l’éthanol, même en présence de contaminants d’oxyde de soufre. Cette percée offre une méthode plus viable économiquement pour la capture et la valorisation du carbone, et pourrait révolutionner des industries comme la fabrication de l’acier et du ciment en leur permettant de convertir plus efficacement le CO2 des flux de déchets.
Un catalyseur électrochimique permettant de convertir le CO2 en produits de valeur peut résister à une impureté qui empoisonne les versions actuelles.
Un nouveau catalyseur améliore la conversion du carbone capturé en produits commerciaux, tout en maintenant une efficacité élevée malgré les impuretés d'oxyde de soufre. Cette innovation pourrait réduire considérablement les coûts et les besoins énergétiques des technologies de capture du carbone, ce qui aurait un impact sur les industries lourdes.
Un catalyseur nouvellement conçu, créé par des chercheurs en ingénierie de l’Université de Toronto, convertit efficacement le carbone capturé en produits de valeur, même en présence d’un contaminant qui dégrade les performances des versions actuelles.
Cette découverte constitue une étape importante vers des techniques de capture et de stockage du carbone plus favorables économiquement qui pourraient être ajoutées aux processus industriels existants.
Progrès dans les technologies de conversion du carbone
« Aujourd’hui, nous disposons de plus d’options et de meilleures options pour la production d’électricité à faible émission de carbone que jamais auparavant », déclare le professeur David Sinton (MIE), auteur principal d’un article publié dans Énergie naturelle le 4 juillet qui décrit le nouveau catalyseur.
« Mais d’autres secteurs de l’économie seront plus difficiles à décarboner : par exemple, la production d’acier et de ciment. Pour aider ces industries, nous devons inventer des moyens rentables de capter et de valoriser le carbone contenu dans leurs flux de déchets. »
Les doctorants en génie de l'Université de Toronto, Rui Kai (Ray) Miao (à gauche) et Panos Papangelakis (à droite), tiennent un nouveau catalyseur qu'ils ont conçu pour convertir le gaz CO2 capturé en produits de valeur. Leur version fonctionne bien même en présence de dioxyde de soufre, un contaminant qui empoisonne les autres catalyseurs. Crédit : Tyler Irving / Ingénierie de l'Université de Toronto
Utilisation de l'électrolyseur dans la transformation du carbone
Sinton et son équipe utilisent des appareils appelés électrolyseurs pour convertir le CO2 et l'électricité en produits tels que l'éthylène et l'éthanol. Ces molécules à base de carbone peuvent être vendues comme carburants ou utilisées comme matières premières chimiques pour la fabrication d'objets du quotidien tels que le plastique.
À l’intérieur de l’électrolyseur, la réaction de conversion se produit lorsque trois éléments – du gaz CO2, des électrons et un électrolyte liquide à base d’eau – se réunissent à la surface d’un catalyseur solide.
Le catalyseur est souvent composé de cuivre, mais il peut également contenir d'autres métaux ou composés organiques qui peuvent encore améliorer le système. Sa fonction est d'accélérer la réaction et de minimiser la création de produits secondaires indésirables, tels que l'hydrogène gazeux, qui réduisent l'efficacité du processus global.
Relever les défis de l'efficacité des catalyseurs
Si de nombreuses équipes à travers le monde ont produit des catalyseurs très performants, la quasi-totalité d’entre eux sont conçus pour fonctionner avec une charge de CO2 pur. Mais si le carbone en question provient de cheminées industrielles, la charge risque d’être tout sauf pure.
« Les concepteurs de catalyseurs n'aiment généralement pas travailler avec des impuretés, et pour une bonne raison », explique Panos Papangelakis, doctorant en génie mécanique et l'un des cinq co-auteurs principaux du nouvel article.
« Les oxydes de soufre, comme le SO2, empoisonnent le catalyseur en se liant à la surface. Cela laisse moins de sites de réaction au CO2 et provoque également la formation de produits chimiques indésirables.
« Cela se produit très rapidement : alors que certains catalyseurs peuvent durer des centaines d’heures avec une charge pure, si vous introduisez ces impuretés, en quelques minutes, leur efficacité peut être réduite à 5 %. »
Bien qu’il existe des méthodes bien établies pour éliminer les impuretés des gaz d’échappement riches en CO2 avant de les introduire dans l’électrolyseur, elles prennent du temps, nécessitent de l’énergie et augmentent le coût de la capture et de la valorisation du carbone. De plus, dans le cas du SO2, même une petite quantité peut constituer un gros problème.
« Même si vous réduisez vos gaz d'échappement à moins de 10 parties par million, soit 0,001 % de la charge, le catalyseur peut toujours être empoisonné en moins de 2 heures », explique Papangelakis.
Innovations dans la conception des catalyseurs
Dans l’article, l’équipe décrit comment elle a conçu un catalyseur plus résistant, capable de résister au SO2, en apportant deux modifications clés à un catalyseur à base de cuivre typique.
D'un côté, ils ont ajouté une fine couche de polytétrafluoroéthylène, également connu sous le nom de Téflon. Ce matériau antiadhésif modifie la chimie à la surface du catalyseur, empêchant les réactions qui permettent l'empoisonnement au SO2.
De l’autre côté, ils ont ajouté une couche de Nafion, un polymère conducteur d’électricité souvent utilisé dans les piles à combustible. Ce matériau poreux complexe contient des zones hydrophiles, c’est-à-dire qui attirent l’eau, ainsi que d’autres zones hydrophobes, c’est-à-dire qui repoussent l’eau. Cette structure rend difficile l’accès du SO2 à la surface du catalyseur.
Performance dans des conditions défavorables
L’équipe a ensuite alimenté ce catalyseur avec un mélange de CO2 et de SO2, ce dernier ayant une concentration d’environ 400 parties par million, ce qui est typique d’un flux de déchets industriels. Même dans ces conditions difficiles, le nouveau catalyseur s’est bien comporté.
« Dans l'article, nous signalons une efficacité Faraday — une mesure du nombre d'électrons qui se retrouvent dans les produits souhaités — de 50 %, que nous avons pu maintenir pendant 150 heures », explique Papangelakis.
« Certains catalyseurs peuvent être plus efficaces au départ, peut-être 75 ou 80 %. Mais si vous les exposez au SO2, en quelques minutes ou au plus quelques heures, leur efficacité chute à presque zéro. Nous avons pu résister à cela. »
Orientations et implications futures
Selon Papangelakis, l'approche de son équipe n'ayant aucune incidence sur la composition du catalyseur lui-même, elle devrait pouvoir être appliquée à grande échelle. En d'autres termes, les équipes qui ont déjà mis au point des catalyseurs à hautes performances devraient pouvoir utiliser des revêtements similaires pour conférer une résistance à l'empoisonnement par l'oxyde de soufre.
Bien que les oxydes de soufre soient l'impureté la plus difficile à éliminer dans les flux de déchets classiques, ils ne sont pas les seuls et c'est à l'ensemble des contaminants chimiques que l'équipe se tourne ensuite.
« Il y a beaucoup d’autres impuretés à prendre en compte, comme les oxydes d’azote, l’oxygène, etc. », explique Papangelakis.
« Le fait que cette approche fonctionne si bien pour les oxydes de soufre est très prometteur. Avant ces travaux, il était évident qu’il fallait éliminer les impuretés avant de valoriser le CO2. Nous avons montré qu’il pourrait y avoir une autre façon de les traiter, ce qui ouvre de nombreuses possibilités. »
