Un nouvel appareil capture le CO₂ et le convertit en produits utiles

Dans le but de réduire l’impact environnemental des émissions de dioxyde de carbone, un chercheur de l’Université de Floride centrale a développé une nouvelle technologie qui capture le dioxyde de carbone et produit des carburants et des produits chimiques utiles.

Yang Yang, professeur associé au Centre de technologie des nanosciences de l’UCF, a créé un dispositif innovant qui capture le dioxyde de carbone grâce à une microsurface composée d’un film d’oxyde d’étain et d’une couche de fluor. Le dispositif extrait ensuite le dioxyde de carbone gazeux via une électrode à bulles et convertit sélectivement les gaz en monoxyde de carbone et en acide formique, qui sont des matières premières importantes pour la fabrication de produits chimiques.

Cette technologie, détaillée dans une étude récente du Journal de la Société américaine de chimievise à réduire durablement l’empreinte carbone de l’humanité tout en répondant au besoin de produire une énergie alternative.

« Nous voulons créer une meilleure technologie pour rendre notre monde meilleur et plus propre », explique Yang, qui est également membre du groupe de recherche sur les énergies renouvelables et la transformation chimique (REACT) de l’UCF. « Trop de dioxyde de carbone aura un effet de serre sur la Terre et la réchauffera très rapidement. C’est la raison pour laquelle nous voulons développer ce nouveau matériau pour le récupérer et le convertir en produits chimiques que nous pouvons utiliser. »

Cette technologie de capture du dioxyde de carbone pourrait être implantée dans des centrales électriques, des installations industrielles ou des usines de production chimique où le dioxyde de carbone est capturé à partir des émissions et converti en produits utiles.

Le design est né de la nature

L’inspiration pour cet appareil et la nécessité d’atténuer notre impact sur l’environnement viennent directement de la nature elle-même, explique Yang.

« En tant que scientifiques, nous apprenons toujours de la nature », dit-il. « Nous voulons voir comment fonctionnent les animaux et les arbres. Pour ce travail, nous avons appris du lotus. Nous savons que le lotus a une surface très hydrophobe, ce qui signifie que lorsque vous versez de l’eau à sa surface, l’eau s’en écoule rapidement. Nous savons également que les plantes vertes absorbent le dioxyde de carbone et le convertissent en oxygène par photosynthèse. »

Le lotus a aidé Yang à concevoir une technologie de capture du dioxyde de carbone qui imite la surface du lotus, dans laquelle l’eau ruisselant sur la surface hydrophobe fabriquée d’un appareil serait séparée de la réaction de conversion du dioxyde de carbone.

Il est nécessaire de gérer soigneusement la quantité d’eau à la surface des matériaux qui pourrait inonder l’appareil ou perturber la conversion du dioxyde de carbone, explique Yang.

Une fois capturé, le gaz carbonique est ensuite acheminé à travers une électrode et converti grâce à un processus plus personnalisable que la photosynthèse naturelle.

La réaction de réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone convertit le gaz carbonique en produits chimiques contenant du carbone, tels que le méthanol, le méthane, l’éthylène, l’éthanol, l’acétate et le propanol, en fonction des voies de réaction spécifiques sur les catalyseurs.

« Nous voulons créer un meilleur matériau capable de capturer rapidement les molécules de dioxyde de carbone de l’air et de les convertir en produits chimiques », explique Yang. « Nous réduisons simplement la concentration de dioxyde de carbone dans l’air et le convertissons en phase liquide et gazeuse afin de pouvoir utiliser directement ces produits chimiques et champs convertis pour d’autres applications. »

L’un des aspects les plus difficiles de la recherche était de réduire la quantité d’eau répandue à la surface des matériaux catalytiques lors de l’exposition des composants du dioxyde de carbone gazeux dans l’électrolyte liquide, dit-il.

« Si vos matériaux sont entourés d’une trop grande quantité d’eau, vous risquez de produire de l’hydrogène au lieu de convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques », explique Yang. « Cela réduira l’efficacité énergétique de l’ensemble du processus. Les matériaux que nous utilisons peuvent repousser l’eau de la surface, ce qui nous permet d’éviter la formation d’hydrogène et d’améliorer considérablement l’efficacité de la réduction du dioxyde de carbone. Cela signifie donc qu’à terme, nous pourrons utiliser presque toute l’électricité pour notre réaction. »

Passage à l’échelle supérieure

De nombreux efforts sont actuellement déployés dans le monde pour réduire, capturer ou convertir le dioxyde de carbone, notamment la plantation d’arbres et le développement de technologies de capture du dioxyde de carbone à grande échelle. Yang espère que le dispositif de capture et de conversion du dioxyde de carbone pourra servir d’alternative viable à d’autres méthodes plus longues ou plus coûteuses.

Selon Yang, l’exploitation d’une électricité respectueuse de l’environnement est une autre étape dans la mise en œuvre de la technologie de conversion du dioxyde de carbone.

« Dans notre procédé, nous pouvons utiliser de l’électricité intermittente, comme l’électricité provenant du panneau solaire ou du parc éolien », dit-il.

Cette technologie s’appuie sur les efforts antérieurs de Yang dans le domaine de l’énergie à l’UCF il y a près de trois ans, dans le développement de nouveaux matériaux pour les piles à combustible utilisant du carbone amélioré au fluor.

Cette recherche constitue une première étape importante et constitue une étude fondamentale qui pourrait ouvrir la voie à des méthodes de capture du dioxyde de carbone à plus grande échelle, explique Yang.

« Pour cela, nous avons validé notre concept du point de vue fondamental », explique-t-il. « Nous avons testé les performances de nos réacteurs, mais à l’avenir, nous souhaitons développer un prototype plus grand qui puisse montrer aux gens à quelle vitesse nous pouvons convertir et réduire la concentration de dioxyde de carbone et générer des produits chimiques ou des carburants très rapidement à partir de notre prototype à grande échelle. »

Les chercheurs, étudiants et chercheurs postdoctoraux du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux, du centre de technologie NanoScience et du département de chimie de l’UCF comprennent Lei Zhai ; Fnu Joshua, MS ; David Fox, PhD ; Shengwen Liu ; Zhao Li, PhD ; Jinfa Chang ; Guanzhi Wang, PhD ; Ao Yu ; et Wei Zhang, PhD.

Yang a également collaboré avec l’Université de Houston, l’Université de Californie à Berkeley, l’Université de Stanford et l’Institut oriental d’études avancées de Ningbo, en Chine.