Séparer le dioxyde de carbone avec un catalyseur bon marché

Des scientifiques de l’EPFL ont construit le premier système catalytique bon marché et abondant sur Terre pour séparer le CO2 en CO et oxygène. C’est un pas important vers la conversion d’énergie renouvelable en combustibles hydrocarbonés.

Une perspective prometteuse pour l’avenir des énergies propres consiste à les stocker sous forme de combustibles basés sur le carbone, produits par des sources renouvelables, qui permettent dans les faits l’usage propre de carburants tels que l’essence. Une première étape consiste en l’électrolyse du dioxyde de carbone en oxygène et en monoxyde de carbone, qui peuvent ensuite être transformés en combustibles liquides. Actuellement, les catalyseurs formant du CO sont soit insuffisamment sélectifs, soit trop coûteux pour être viables industriellement. Des scientifiques de l’EPFL viennent de développer un catalyseur abondant sur Terre basé sur des nanofils d’oxyde de cuivre modifiés avec de l’oxyde d’étain. Un dispositif mu par l’énergie solaire utilisant ce catalyseur a été capable de séparer le CO2 avec une efficience de 13,4%. Ce travail est publié dans Nature Energy, et l’on s’attend à ce qu’il contribue aux efforts menés dans le monde entier pour produire des carburants à base carbonée à partir de CO2 et d’eau.

La recherche a été menée par le laboratoire de Michael Grätzel à l’EPFL. Grätzel est connu dans le monde entier pour l’invention de cellules solaires à colorants (« Cellules Grätzel »). Le nouveau catalyseur, développé par le doctorant Marcel Schreier, le post-doctorant Jingshan Luo, et plusieurs collaborateurs, est conçu en déposant des couches atomiques d’oxyde d’étain sur des nanofils d’oxyde de cuivre. L’oxyde d’étain supprime la formation de sous-produits, qui sont couramment observés avec les catalyseurs à l’oxyde de cuivre, pour conduire à la production unique de CO dans l’électro-réduction du CO2.

Le catalyseur était intégré dans un système d’électrolyse du CO2 et lié à une cellule solaire à triple jonction (GaLnP/GaLnAS/Ge) pour constituer un photo-électrolyseur. Chose importante, le système utilise le même catalyseur que la cathode qui réduit le CO2 en CO et l’anode qui oxyde l’eau en oxygène à travers ce qui est appelé «réaction d’évolution de l’oxygène». Les gaz sont séparés par une membrane bipolaire. En utilisant seulement des matériaux abondant dans l’écorce terrestre pour catalyser les deux réactions, ce dispositif maintient le coût du système à bas niveau.

Ce système a été capable de convertir sélectivement du CO2 en CO avec une efficience de 13,4% en recourant à l’énergie solaire. Le catalyseur a également atteint une efficience faradique jusqu’à 90%, qui décrit avec quelle efficacité la charge électrique est transférée dans le produit désiré dans un système d’électro-catalyse comme celui développé ici. «Ce travail établit une nouvelle référence pour la réduction solaire du CO2», dit Luo.

«C’est la première fois qu’un tel catalyseur, bi-fonctionnel et bon marché, est mis en démonstration», ajoute Schreier. «Très peu de catalyseurs – à l’exception de ceux, très coûteux, comme l’or et l’argent – sont capables de transformer sélectivement le CO2 en CO dans l’eau, ce qui est primordial pour des applications industrielles.»

Ce travail a été effectué en collaboration avec le Jeremy Luterbacher’s Laboratory of Sustainable and Catalytic Processing à l’EPFL. Il a été financé par Siemens AG, et une bourse du Marie Skłodowska-Curie Fellowship du European Union’s Seventh Framework Programme. Il inclut une contribution de Abengoa Research en Espagne.

Référence

Marcel Schreier, Florent Héroguel, Ludmilla Steier, Shahzada Ahmad, Jeremy S. Luterbacher, Matthew T. Mayer, Jingshan Luo, Michael Grätzel. Solar conversion of CO2 to CO using Earth-abundant electrocatalysts prepared by atomic layer modification of CuO.Nature Energy 2, 17087 (05 June 2017). DOI: 10.1038/nenergy.2017.87

[ Illustration – Crédit / Pixabay ]