Une équipe de recherche dirigée par le Dr Kee Young Koo du département de recherche sur l'hydrogène de l'Institut coréen de recherche énergétique (KIER) a développé un catalyseur de classe mondiale pour la réaction inverse de transfert eau-gaz, transformant le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre majeur, en un élément clé des carburants respectueux de l'environnement.
Les résultats de la recherche ont été publiés en ligne dans Catalyse appliquée B : Environnement et énergie.
La réaction inverse eau-gaz (RWGS) est une technologie qui convertit le dioxyde de carbone (CO₂) en monoxyde de carbone (CO) et en eau (H₂O) en le faisant réagir avec de l'hydrogène (H₂) dans un réacteur. Le monoxyde de carbone résultant peut être combiné avec l’hydrogène restant pour produire du gaz de synthèse, qui sert de base aux carburants synthétiques tels que les carburants électroniques et le méthanol. Cela fait de la réaction RWGS une technologie prometteuse pour stimuler l’industrie des carburants respectueux de l’environnement.
La réaction inverse eau-gaz (RWGS) permet d'obtenir une conversion plus élevée du dioxyde de carbone à des températures supérieures à 800 °C, et donc des catalyseurs à base de nickel, connus pour leur stabilité thermique supérieure à celle des autres métaux, sont généralement utilisés. Cependant, une exposition prolongée à des températures aussi élevées provoque une agglomération des particules, conduisant à une activité catalytique réduite.
À des températures plus basses, des sous-produits tels que le méthane se forment, ce qui diminue la productivité du monoxyde de carbone. Par conséquent, les recherches actuelles se concentrent sur le développement de catalyseurs qui maintiennent une activité élevée même dans des conditions de basse température, afin de réduire les coûts du procédé et d’améliorer l’efficacité.
L'équipe de recherche KIER a surmonté les limites des catalyseurs conventionnels en développant un catalyseur à base de cuivre rentable et abondant. Leur nouveau catalyseur à oxyde mixte cuivre-magnésium-fer a produit du monoxyde de carbone 1,7 fois plus rapidement et avec un rendement 1,5 fois supérieur à celui des catalyseurs commerciaux en cuivre à 400 °C.
Contrairement aux catalyseurs au nickel, les catalyseurs à base de cuivre peuvent produire sélectivement uniquement du monoxyde de carbone à des températures inférieures à 400 °C sans générer de sous-produits tels que le méthane. Le problème réside toutefois dans le fait que la stabilité thermique du cuivre diminue considérablement à environ 400 °C. Une stabilité thermique réduite conduit à une agglomération de particules, ce qui diminue considérablement la stabilité globale du catalyseur.
Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a mis en œuvre une structure à double hydroxyde (LDH) en couches. Cette structure a une forme de type sandwich, dans laquelle les molécules d'eau et les anions sont intercalés entre de fines couches métalliques, et en ajustant les types et les ratios d'ions métalliques, diverses propriétés physiques et chimiques peuvent être obtenues.
En incorporant du fer et du magnésium, l’équipe a pu combler les espaces entre les particules de cuivre, empêchant ainsi l’agglomération des particules et améliorant ainsi la stabilité thermique.
Grâce à des analyses infrarouges en temps réel et à des expériences de réaction, les chercheurs ont identifié pourquoi le catalyseur nouvellement développé surpasse les catalyseurs conventionnels. Lors de l’utilisation de catalyseurs à base de cuivre traditionnels, le dioxyde de carbone et l’hydrogène réagissent d’abord pour former des intermédiaires formiates, qui sont ensuite convertis en monoxyde de carbone.
En revanche, il a été constaté que le nouveau catalyseur convertit directement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone à la surface du catalyseur sans générer d’intermédiaires. Parce qu'il évite de produire des intermédiaires inutiles ou des sous-produits de méthane, le catalyseur maintient une activité élevée même à la température relativement basse de 400 °C.
Le catalyseur développé par l'équipe de recherche a atteint un rendement en monoxyde de carbone de 33,4 % et un taux de formation de 223,7 micromoles par gramme de catalyseur par seconde (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹) à 400 °C, tout en fonctionnant de manière stable pendant plus de 100 heures. Cette performance représente une augmentation de 1,7 fois du taux de formation de monoxyde de carbone et une augmentation de 1,5 fois du rendement par rapport aux catalyseurs commerciaux au cuivre.
De plus, comparé aux catalyseurs à métaux nobles tels que le platine, qui présentent une activité élevée à basses températures, le nouveau catalyseur a démontré un taux de formation 2,2 fois plus élevé et un rendement 1,8 fois plus élevé, ce qui en fait l'un des catalyseurs les plus performants au monde.
Le Dr Kee Young Koo, chercheur principal, a déclaré : « La technologie du catalyseur d'hydrogénation du CO₂ à basse température est une avancée majeure qui permet la production efficace de monoxyde de carbone à l'aide de métaux peu coûteux et abondants. Elle peut être directement appliquée à la production de matières premières clés pour les carburants synthétiques durables.
« À l'avenir, nous poursuivrons nos recherches pour étendre son application à des contextes industriels réels, contribuant ainsi à la réalisation de la neutralité carbone et à la commercialisation de technologies de production de carburants synthétiques durables. »
