Clôturer le cycle du carbone avec la production de propane vert

Technologie scientifique

Au cours des trois derniers siècles, notamment depuis la révolution industrielle de la fin du XVIIIe et du XIXe siècle, les activités humaines ont considérablement augmenté les niveaux de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre. Les principaux responsables sont la consommation de combustibles fossiles, les processus industriels, la déforestation et la gestion des déchets.

En réponse, les États-Unis visent à réduire les émissions de gaz à effet de serre de 50 à 52 % par rapport aux niveaux de 2005 d’ici 2030. Cette initiative s’inscrit dans le cadre d’un effort mondial visant à atteindre zéro émission nette de gaz à effet de serre d’ici 2050. Les secteurs de l’énergie électrique et de l’industrie contribuant à environ la moitié des émissions américaines de dioxyde de carbone (CO2), il est impératif de trouver des solutions dans ces domaines.

Aujourd'hui, dans un article publié dans Nature Energy, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, de l'Institut de technologie de l'Illinois et de l'Université de l'Illinois à Chicago ont développé un système capable de convertir les émissions de CO2 en propane (C3H8), un produit plus propre et plus énergétique. source de carburant dense.

"La conversion électrochimique du CO2 peut répondre aux besoins énergétiques futurs en stockant l'énergie renouvelable et en fermant le cycle du carbone anthropique", déclare le co-auteur Andrew Rappe de la School of Arts & Sciences de Penn. « Cette recherche ouvre la voie à de nouvelles solutions qui permettront de relever les défis du stockage d’énergie et de réduire de manière significative les niveaux de CO2. »

"Il est vraiment important de fabriquer des produits chimiques renouvelables", déclare le co-auteur Mohammad Asadi de l'Illinois Institute of Technology. "C'est le meilleur moyen de fermer le cycle du carbone sans perdre les produits chimiques que nous utilisons quotidiennement."

Le cuivre est traditionnellement l'élément de prédilection des chercheurs qui étudient des moyens efficaces de convertir le CO2 en produits chimiques et combustibles précieux, à la fois pour réduire son impact environnemental et pour fournir de nouvelles solutions de stockage d'énergie. Cependant, les carburants produits sont des composés monocarbonés à faible densité énergétique comme le méthane.

"Obtenir des produits multicarbones à forte densité énergétique comme le C3H8 reste un défi en raison des nombreux intermédiaires qui se forment tout au long du processus de conversion chimique", explique Zhen Jiang, co-premier auteur de l'article et ancien chercheur postdoctoral au sein du groupe Rappe. "De plus, la plupart des stratégies visant à augmenter la sélectivité d'un matériau pour les molécules multi-carbones ont tendance à être coûteuses en énergie."

Jiang dit que l'équipe a cherché des moyens d'aller au-delà des catalyseurs existants comme le cuivre - et leur modeste sélectivité pour les produits multi-carbones ou leur cinétique lente - et a étudié les moyens d'ajouter du liquide ionique (IL) dans le système catalytique. Cela a incité l’équipe à considérer le phosphure de trimolybdène (Mo3P) comme matériau catalytique.

« Sur la base de nos simulations théoriques, nous avons découvert que la couche d'IL peut améliorer l'adhérence du CO2 et des groupes ultérieurs lors de la réaction sur la surface du catalyseur Mo3P, stabilisant ainsi les intermédiaires sur différents sites de la surface pour produire du C3H8 avec une efficacité inégalée de 91 %. ", dit Jiang.

L'équipe note également que cette découverte clé a conduit à un nouveau paradigme pour explorer la relation entre les matériaux dans les systèmes électrocatalytiques.

"Conventionnellement, le catalyseur à l'état solide et la solution aqueuse qui assure le transfert d'ions tout au long de la réaction agissaient avec moins de promotion mutuelle à l'interface", explique Jiang. "Mais maintenant, nous pouvons appliquer une approche hybride via des techniques telles que le revêtement IL sur des catalyseurs à l'état solide et réexaminer les systèmes précédemment testés grâce à notre nouvelle compréhension du microenvironnement du catalyseur."

Pour l’avenir, les chercheurs prévoient de s’appuyer sur ces recherches de deux manières : premièrement, développer un catalogue de liquides ioniques et leur efficacité dans les catalyseurs générateurs de carburant et autres systèmes électrochimiques ; et deuxièmement, étudier de nouveaux catalyseurs pour la conversion du CO2 en sources de carburant plus denses en énergie, du gaz combustible au pétrole léger contenant plus d'atomes de carbone.

Rappe déclare : « L'extension de cette recherche aux hydrocarbures de poids plus élevé pourrait fermer le cycle du carbone en créant du gaz naturel, du propane, de l'essence et même du carburéacteur directement à partir du CO2 produit par la combustion précédente de carburant. De cette façon, les mêmes atomes de carbone stockent continuellement de l’énergie et nous ne la rejetons pas dans l’atmosphère. »