Des chimistes conçoivent une nouvelle méthode pour générer un carburant durable

Les chimistes travaillent depuis des années à la synthèse de matériaux de grande valeur à partir de molécules de déchets. Aujourd’hui, une collaboration internationale de scientifiques étudie des moyens d’utiliser l’électricité pour rationaliser le processus.

Dans leur étude, publiée dans Catalyse de la natureles chercheurs ont démontré que le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, peut être converti en un type de carburant liquide appelé méthanol de manière très efficace.

Ce processus a été réalisé en prenant des molécules de phtalocyanine de cobalt (CoPc) et en les répartissant uniformément sur des nanotubes de carbone, des tubes semblables au graphène qui ont des propriétés électriques uniques. À leur surface se trouvait une solution électrolytique qui, en faisant passer un courant électrique à travers elle, permettait aux molécules de CoPc de prendre des électrons et de les utiliser pour transformer le dioxyde de carbone en méthanol.

En utilisant une méthode spéciale basée sur la spectroscopie in situ pour visualiser la réaction chimique, les chercheurs ont vu pour la première fois ces molécules se transformer en méthanol ou en monoxyde de carbone, ce qui n’est pas le produit souhaité. Ils ont découvert que le chemin emprunté par la réaction est déterminé par l’environnement dans lequel réagit la molécule de dioxyde de carbone.

En ajustant cet environnement en contrôlant la façon dont le catalyseur CoPc était distribué sur la surface du nanotube de carbone, le dioxyde de carbone a pu être jusqu’à huit fois plus susceptible de produire du méthanol, une découverte qui pourrait augmenter l’efficacité d’autres processus catalytiques et avoir un impact considérable sur d’autres domaines, a déclaré Robert Baker, co-auteur de l’étude et professeur de chimie et de biochimie à l’Ohio State University.

« Lorsque vous prenez du dioxyde de carbone et le convertissez en un autre produit, vous pouvez créer de nombreuses molécules différentes », a-t-il déclaré. « Le méthanol est sans aucun doute l’un des plus recherchés car il possède une densité énergétique très élevée et peut être utilisé directement comme carburant alternatif. »

Bien que la transformation de molécules de déchets en produits utiles ne soit pas un phénomène nouveau, jusqu’à présent, les chercheurs n’ont souvent pas été en mesure d’observer comment la réaction se déroule réellement, une information cruciale pour pouvoir optimiser et améliorer le processus.

« Nous pouvons optimiser empiriquement le fonctionnement d’un objet, mais nous ne comprenons pas vraiment ce qui le fait fonctionner, ni ce qui fait qu’un catalyseur fonctionne mieux qu’un autre », explique Baker, spécialiste de la chimie de surface, l’étude de la façon dont les réactions chimiques changent lorsqu’elles se produisent sur la surface de différents objets. « Ce sont des questions auxquelles il est très difficile de répondre. »

Mais grâce à des techniques spéciales et à la modélisation informatique, l’équipe a pu se rapprocher considérablement de la compréhension de ce processus complexe. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un nouveau type de spectroscopie vibrationnelle, qui leur a permis de voir comment les molécules se comportent à la surface, a déclaré Quansong Zhu, auteur principal de l’étude et ancien boursier présidentiel de l’Ohio State, dont les mesures difficiles ont été essentielles à la découverte.

« Nous avons pu déterminer, grâce à leurs signatures vibratoires, qu’il s’agissait de la même molécule se trouvant dans deux environnements de réaction différents », a déclaré Zhu. « Nous avons pu établir une corrélation entre l’un de ces environnements de réaction et la production de méthanol, un carburant liquide précieux. »

Selon l’étude, une analyse plus approfondie a également révélé que ces molécules interagissaient directement avec des particules surchargées appelées cations qui amélioraient le processus de formation de méthanol.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour en savoir plus sur ce que ces cations permettent également, mais une telle découverte est essentielle pour parvenir à un moyen plus efficace de créer du méthanol, a déclaré Baker.

« Nous découvrons des systèmes très importants et nous apprenons à leur sujet des choses qui suscitent des interrogations depuis longtemps », a déclaré Baker. « Il est essentiel de comprendre la chimie unique qui se produit au niveau moléculaire pour permettre ces applications. »

En plus d’être un carburant à faible coût pour les véhicules tels que les avions, les voitures et les bateaux, le méthanol produit à partir d’électricité renouvelable pourrait également être utilisé pour le chauffage et la production d’électricité, et pour faire progresser les futures découvertes chimiques.

« Il y a beaucoup de choses passionnantes qui pourraient se produire à l’avenir, compte tenu de ce que nous avons appris ici, et nous avons déjà commencé à en faire certaines ensemble », a déclaré Baker. « Le travail est en cours. »