Et si une machine pouvait aspirer le dioxyde de carbone de l’atmosphère, le soumettre à une série de réactions chimiques et recracher du plastique utile à l’industrie ?
« Je pense que c’est quelque chose qui nous intéresserait en tant que société. Après tout, en plus d’être un gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone est une matière première abondante et peu coûteuse », indique Theo Agapie (PhD ’07), professeur de chimie John Stauffer et responsable de la chimie à Caltech. « Grâce à nos nouveaux travaux, nous avons fait un pas important dans cette direction. »
Dans un article publié dans la revue Angewandte Chemie International Edition, M. Agapie et une équipe de chimistes du Caltech ont mis au point un système qui utilise de l’électricité provenant de sources durables pour effectuer la conversion chimique du dioxyde de carbone (CO2) en molécules, telles que l’éthylène et le monoxyde de carbone, qui sont utiles pour fabriquer des composés plus complexes. Lorsque cette transformation est réalisée en utilisant la lumière comme source d’énergie, sans plantes, ce processus est connu sous le nom de photosynthèse artificielle. Le nouveau système introduit l’éthylène et le monoxyde de carbone générés dans une deuxième boucle catalytique qui produit des plastiques utiles à l’industrie, les polycétones, connus pour leur résistance, leur durabilité et leur stabilité thermique, ce qui les rend idéaux pour des applications allant des adhésifs aux pièces de voiture et des équipements sportifs aux tuyauteries industrielles.
« Nous avons montré qu’il est possible d’utiliser le CO2 pour fabriquer un matériau utile, sans utiliser les plantes comme médiateur », explique l’auteur principal Max Zhelyabovskiy (MS ’24), étudiant diplômé du laboratoire d’Agapie et co-menté sur le projet par Jonas C. Peters, professeur de chimie Bren à Caltech et directeur de l’Institut Resnick pour le développement durable.
L’équipe dirigée par le Caltech n’est pas la première à construire un système qui tente d’associer la réduction du CO2 à une seconde réaction chimique pour produire des polymères. Mais les systèmes précédents ont ajouté de l’éthylène provenant de produits pétroliers, plutôt que de le dériver du dioxyde de carbone et de l’eau.
La conversion du CO2 en plastique s’est avérée difficile pour un certain nombre de raisons. En effet, les systèmes précédents de réduction électrochimique du CO2 ont produit très peu d’éthylène et de monoxyde de carbone, les réactifs nécessaires pour alimenter la deuxième étape de la conversion en polycétones. En fait, la plupart d’entre eux ont produit des concentrations inférieures à 5 % de ces composés souhaités, ainsi que d’autres produits chimiques indésirables qui peuvent potentiellement nuire aux processus en aval.
« Il a été difficile, du moins à l’échelle du laboratoire, d’obtenir des flux de réactifs de haute concentration et de haute pureté qui peuvent ensuite être convertis en quelque chose comme un plastique ou un carburant », déclare M. Zhelyabovskiy. Mais le système qu’il a contribué à mettre au point permet d’obtenir des concentrations nettement plus élevées : 11 % d’éthylène et 14 % de monoxyde de carbone.
Mais ce n’est pas le seul défi. Le couplage des deux systèmes – l’un pour la réduction du CO2 et l’autre pour l’étape de catalyse qui suit – n’est pas trivial, explique M. Zhelyabovskiy. « La plupart des travaux publiés se concentrent sur la première ou la deuxième étape, séparément et avec des matières premières pures, mais pas sur les deux. Pas les deux. »
Un système en deux étapes
Consciente des environnements très différents nécessaires pour que la réduction du CO2 et l’étape catalytique secondaire fonctionnent avec une grande efficacité, l’équipe du Caltech a conçu un système comportant deux boucles distinctes pour les réactions séparées.
Pour la première boucle, le système commence par des cellules d’électrodes de diffusion de gaz, des polymères hydrophobes recouverts d’une fine couche de cuivre. Les scientifiques pompent du CO2 dans une bouteille de gaz reliée aux cellules et font circuler un électrolyte de bicarbonate de potassium dans les cellules, tout en appliquant une tension aux électrodes. En faisant passer les gaz plusieurs fois dans ce dispositif électrochimique, ils parviennent à générer des concentrations relativement élevées d’éthylène et de monoxyde de carbone.
Après avoir accumulé ces gaz pendant environ une heure, les chercheurs introduisent l’éthylène et le monoxyde de carbone dans la deuxième étape : un réacteur fermé dans lequel les gaz passent à travers une solution de catalyseur au palladium. Comme un barboteur dans un aquarium, ce processus enrichit la solution en éthylène et en monoxyde de carbone. Le catalyseur, connu sous le nom de catalyseur de copolymérisation, entraîne la formation efficace d’un polymère – dans ce cas, un polycétone – à partir des deux monomères.
Un catalyseur qui remplit sa mission dans des conditions de travail
Généralement, les catalyseurs sont testés dans des conditions vierges qui ne représentent pas nécessairement les environnements auxquels ils sont exposés lors de la réduction électrochimique du CO2. Par exemple, bien que la vapeur d’eau soit très nocive pour de nombreux catalyseurs de polymérisation, l’eau est un élément nécessaire à la réduction du CO2, et l’introduction de vapeur d’eau est donc inévitable.
Dans leurs nouveaux travaux, Agapie, Peters et leurs collègues ont montré que le catalyseur au palladium peut être utilisé même en présence de contaminants introduits lors de la réduction du CO2, notamment de la vapeur d’eau, mais aussi de l’hydrogène, du CO2 non réagi, des vapeurs d’alcool et d’autres intermédiaires chimiques.
Zhelyabovskiy précise que le nouveau système et la nouvelle technique doivent encore être affinés. Il ne produit pas encore de polycétones ayant le même poids moléculaire que ceux fabriqués de manière standard, par exemple. Toutefois, il ajoute qu’« en démontrant que c’est possible, nous pourrions accroître l’intérêt pour ce domaine, et peut-être que les gens pourraient s’inspirer de ce principe ».
Agapie note que pour que ce processus débouche sur une technologie durable et pratique, l’électricité doit provenir de sources renouvelables et neutres en carbone, et elle doit être suffisamment bon marché pour concurrencer les sources pétrolières.
Les autres auteurs de l’article intitulé « Plastic from CO2, Water, and Electricity : Tandem Electrochemical CO2 Reduction and Thermochemical Ethylene-CO Copolymerization », sont Hyuk-Joon Jung et Paula L. Diaconescu de l’UCLA. DOI : 10.1002/anie.202503003
