Des matériaux à l’échelle nanométrique qui imitent les enzymes pourraient convertir le CO₂ en éléments chimiques de base

James Crawford, chercheur à l’Université d’État du Montana, a récemment publié un article collaboratif avec le National Renewable Energy Laboratory qui marque une étape supplémentaire dans leur quête de ce qu’il appelle le « Saint Graal » de la chimie : convertir le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, en éléments chimiques qui pourraient être utilisés pour créer une myriade d’autres matériaux.

Cet article, « Capture réactive du dioxyde de carbone à haute sélectivité sur des matériaux à double fonction à base de zéolite », a été publié dans la revue Catalyse ACSUne illustration à l’échelle atomique du processus de conversion du dioxyde de carbone est présentée sur la couverture de la revue.

« Nous avons réussi à capturer le dioxyde de carbone puis à le convertir en méthane et en monoxyde de carbone à l’aide de matériaux microporeux fonctionnalisés », a déclaré Crawford, professeur adjoint de génie chimique et biologique au Norm Asbjornson College of Engineering de la MSU. « Le méthane est une ressource énergétique de substitution compatible avec l’infrastructure de gaz naturel existante. Le monoxyde de carbone a mauvaise réputation, mais il s’avère être un réactif essentiel dans la production de carburants et de produits chimiques synthétiques. »

L’élément carbone est présent dans tous les êtres vivants. C’est le deuxième élément le plus abondant dans le corps humain et le quatrième dans l’univers. On le trouve dans les biocarburants, les produits chimiques, les textiles et les matériaux de construction. C’est également un élément titulaire du dioxyde de carbone, communément appelé CO₂qui représente moins de 1 % de l’atmosphère terrestre. En plus d’être expiré par les humains, ce gaz incolore, inodore et qui retient la chaleur est un sous-produit de la combustion de combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz naturel, l’essence et le charbon.

Les méthodes existantes pour éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère aboutissent généralement à stocker le gaz plutôt qu’à le convertir en nouveaux produits.

« Ce que nous essayons de faire, c’est d’introduire une autre façon de capturer le CO₂ « En le verrouillant avec des liaisons chimiques », a déclaré Crawford, qui est également affilié à l’Institut de recherche sur l’énergie et au Centre d’ingénierie des biofilms de la MSU. « Si vous pouvez convertir des gaz atmosphériques comme le dioxyde de carbone et l’eau en monoxyde de carbone et en hydrogène, vous pouvez ensuite les combiner pour fabriquer à peu près n’importe quel hydrocarbure. »

Les hydrocarbures sont des composés organiques entièrement composés d’hydrogène et de carbone, ce qui les rend utiles comme éléments de base pour de nombreux composés et matériaux chimiques.

« Les catalyseurs biologiques, ou enzymes, recyclent les gaz atmosphériques depuis des milliards d’années », a-t-il déclaré. « Mon groupe souhaite en savoir plus sur les enzymes et copier leur fonction dans des catalyseurs solides robustes. Cela permettrait de les utiliser dans des processus industriels difficiles. »

Son équipe s’intéresse aux matériaux capables d’évacuer sélectivement le CO₂ de l’air et permettent les réactions qui modifient l’identité chimique de la molécule. “Ces catalyseurs doivent avoir du CO₂ « des sites d’attachement, ainsi que des structures réactives qui permettent la reconstruction chimique », a déclaré Crawford.

Cela nécessite des matériaux aux structures personnalisables à l’échelle nanométrique, dont les dimensions se mesurent en milliardièmes de mètre. Il s’intéresse à deux matériaux en particulier : les zéolites, qui sont des matériaux de type céramique, et les structures organométalliques, qui ont des nœuds métalliques connectés à des liants organiques. Les deux matériaux ont des micropores et une « adaptabilité » chimique pour créer du CO₂ sites de capture et de conversion.

« Nous générons des zéolites et des structures organométalliques en laboratoire en utilisant un processus qui combine solvants, chaleur et pression pour favoriser la formation de nos catalyseurs », a déclaré Crawford.

S’appuyant sur ces technologies émergentes, Crawford, qui a obtenu une licence en génie chimique et biologique à la MSU avant d’obtenir son doctorat à la Colorado School of Mines, a déclaré qu’il espère que ses recherches conduiront un jour à la conception de nano-catalyseurs plus efficaces avec des propriétés « biomimétiques », ce qui signifie qu’ils imitent les processus biologiques.

« La biologie a déjà compris une grande partie de ces choses », a déclaré Crawford. « Nous fabriquons des matériaux biomimétiques qui, un jour, seront capables de contrôler le CO₂ processus de conversion pour générer les produits chimiques dont nous avons le plus besoin.