La capture du dioxyde de carbone pourrait ouvrir la voie à la production de composés chimiques précieux grâce à un procédé sélectif utilisant de l’électricité renouvelable. Le CO2 peut être converti électro-chimiquement en un produit spécifique en faisant réagir sous haute pression.
Une réaction sous haute pression
« Dans mes recherches, nous utilisons l’électricité pour convertir le CO2 en carburants », explique Xu Lu, ingénieur mécanique à KAUST. L’équipe a exploré un procédé appelé réduction électrochimique du CO2 (CO2R), qui peut transformer ce gaz à effet de serre en diverses molécules de carburants potentiels. Selon le catalyseur utilisé, des produits tels que le formiate, le méthanol et l’éthanol peuvent être générés.
Jusqu’à présent, la plupart des études ont exploré le CO2R dans des conditions de pression ambiante. Cependant, dans l’industrie, le CO2 est généralement capturé, transporté et stocké sous haute pression. « Comme les sources industrielles de CO2 sont souvent sous pression, la réduction électrochimique directe du CO2 sous haute pression présenterait une valeur significative pour l’industrie », précise Liang Huang, post-doctorant.
Ainsi, les chercheurs ont examiné ce qui se passe lorsque la réaction est effectuée à une pression de 50 bar, plus représentative des conditions industrielles. Le résultat de la réaction a été considérablement modifié à cette pression.
Une sélectivité accrue
« À notre grande surprise, nous avons constaté que des catalyseurs tels que le cuivre, l’argent, l’or et l’étain, qui présentaient des sélectivités CO2R différentes dans des conditions de pression ambiante, sont tous devenus sélectifs pour la production de formiate sous haute pression », commente Liang Huang.
Convertir le CO2 en un seul produit est plus utile que de générer un mélange.
Comprendre les processus réactionnels se déroulant à l’intérieur d’un réacteur haute pression n’est pas trivial, car la plupart des techniques d’analyse fonctionnent à pression ambiante.
Pour examiner le résultat de la réaction, le groupe de Lu a collaboré avec Gaetano Magnotti, spécialiste des diagnostics laser avancés et de l’imagerie pour étudier les processus de combustion haute pression. « Nous avons utilisé le système de haute puissance pour tirer un laser dans notre réacteur électrochimique haute pression », indique Xu Lu.
Avec ce dispositif, l’équipe a mesuré les espèces réactives apparaissant à la surface de l’électrode pendant le CO2R. « Avec le groupe d’Edward Sargent de l’Université de Toronto, nous avons ensuite développé un modèle théorique pour découvrir les facteurs clés régissant le changement de sélectivité vers le formiate », ajoute Liang Huang.
À haute pression, plus de CO2 recouvre la surface du catalyseur, ce qui augmente le taux de réaction et modifie finalement la sélectivité de la réaction, ont découvert les chercheurs. Ils ont ensuite montré qu’ils pouvaient encore augmenter la sélectivité du formiate.
« Nous avons constaté qu’à haute pression, une réaction concurrente appelée réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) est le principal facteur limitant la sélectivité du CO2R », commente Liang Huang. « Nous avons modifié la surface de notre électrode de cuivre avec une couche capable d’inhiber HER, améliorant ainsi la sélectivité du formiate. »
Selon Liang Huang, l’équipe étudie maintenant le CO2R dans différentes conceptions de réacteurs haute pression, y compris des cellules à écoulement et des réacteurs à membrane électrode (MEA), explorant leur valeur potentielle pour l’industrie.
En synthèse
La conversion électrochimique du CO2 capturé en produits chimiques de valeur sous haute pression, plutôt que dans des conditions ambiantes, pourrait présenter un grand intérêt pour l’industrie. Des recherches récentes montrent qu’à 50 bar, des catalyseurs auparavant non sélectifs deviennent tous sélectifs pour la production de formiate.
Comprendre les mécanismes mis en jeu et inhiber les réactions secondaires permet d’augmenter encore cette sélectivité. Des réacteurs haute pression optimisés pourraient ainsi valoriser le CO2 capturé en composés utiles grâce à l’électricité renouvelable.
Pour une meilleure compréhension
Pourquoi étudier la réduction du CO2 sous haute pression ?
Le CO2 capturé par l’industrie est généralement sous haute pression. Étudier la réduction électrochimique du CO2 directement sous pression élevée présente donc un grand intérêt pour des applications industrielles.
Quel est l’effet de la haute pression sur la réaction ?
La haute pression modifie la sélectivité de la réaction, conduisant à la production majoritaire de formiate quel que soit le catalyseur utilisé. Cela simplifie le procédé en ne générant qu’un seul produit.
Comment la réaction a-t-elle été étudiée sous pression ?
Grâce à des techniques laser et de diagnostic avancées au sein du réacteur pressurisé. Cela a permis de comprendre les mécanismes mis en jeu.
Comment améliorer encore la sélectivité ?
En inhibant les réactions secondaires comme la production d’hydrogène, la sélectivité en formiate peut être augmentée sous haute pression.
Quelles applications industrielles sont envisagées ?
L’étude de réacteurs haute pression optimisés, comme des cellules à écoulement ou à membrane, pour valoriser le CO2 capté par l’industrie.
Légende illustration principale : Dans des conditions de pression spécifiques, le dioxyde de carbone peut être transformé catalytiquement en formiate dans une cellule de flux aqueux à haute pression et à espacement étroit. Copyright © 2023, Huang et al.
Huang, L., Gao, G., Yang, C., Li, X. Y., Miao, R. K., Xue, Y., Xie, K., Ou, P., Yavuz, C. T., Han,Y., Magnotti, G., Sinton, D., Sargent, E. H. & Lu, X. Pressure dependence in aqueous-based electrochemical CO2 reduction. Nature Communications 14, 2958 (2023).| article
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