Des chercheurs de la Faculté de génie de l'Université de Toronto ont développé un nouveau catalyseur qui convertit efficacement le carbone capturé en produits précieux tels que l'éthylène et l'éthanol, même en présence de polluants d'oxyde de soufre. Cette percée offre une approche plus viable économiquement en matière de captage et de valorisation du carbone, transformant potentiellement des industries telles que la fabrication de l'acier et du ciment en leur permettant de convertir plus efficacement le dioxyde de carbone des flux de déchets.
Les catalyseurs électrochimiques qui convertissent le dioxyde de carbone en produits précieux pourraient résister aux impuretés qui empoisonnent les versions actuelles. Un nouveau catalyseur améliore la conversion du carbone capturé en produits commerciaux, maintenant ainsi un rendement élevé malgré la présence d'impuretés d'oxyde de soufre. Cette innovation pourrait réduire considérablement le coût et les besoins énergétiques de la technologie de captage du carbone, avec des implications pour l'industrie lourde.
Un catalyseur nouvellement conçu par des chercheurs du département d'ingénierie de l'Université de Toronto peut convertir efficacement le carbone capturé en produits précieux, même lorsque les performances des catalyseurs existants se dégradent en présence de polluants.
Cette découverte constitue une étape importante vers une technologie plus économique de captage et de stockage du carbone qui peut être ajoutée aux processus industriels existants.
Le professeur David Sinton, auteur principal d'un article publié dans Nature Energy le 4 juillet, a déclaré : « Aujourd'hui, nous disposons plus que jamais d'options de production d'électricité à faible émission de carbone, meilleures et plus nombreuses. Mais certains secteurs de l'économie seront plus difficiles à décarboner : la fabrication de l'acier et du ciment, par exemple. Pour aider ces industries, nous devons inventer des moyens rentables de capturer et de valoriser le carbone présent dans leurs flux de déchets.
Hinton et son équipe utilisent des appareils appelés électrolyseurs pour convertir le dioxyde de carbone et l'électricité en produits tels que l'éthylène et l'éthanol. Ces molécules à base de carbone peuvent être vendues comme carburant ou utilisées comme matière première chimique pour fabriquer des produits du quotidien tels que le plastique.
Dans un électrolyseur, une réaction de conversion se produit lorsque trois éléments – le dioxyde de carbone, les électrons et un électrolyte liquide à base d’eau – se réunissent à la surface d’un catalyseur solide.
Les catalyseurs sont généralement constitués de cuivre, mais peuvent également contenir d'autres métaux ou composés organiques, améliorant encore le système. Le rôle du catalyseur est d’accélérer la réaction et de minimiser la production de sous-produits indésirables tels que l’hydrogène, qui réduisent l’efficacité du processus global.
Si de nombreux groupes à travers le monde ont produit des catalyseurs très performants, presque tous ont été conçus pour des charges de CO2 pur. Cependant, si le carbone en question provient de la cheminée, la charge n'est probablement pas pure.
"Les concepteurs de catalyseurs n'aiment généralement pas traiter les impuretés, et cela est logique", a déclaré Panos Papangelakis, doctorant en génie mécanique et l'un des cinq co-premiers auteurs du nouvel article. "Les oxydes de soufre, tels que le dioxyde de soufre, peuvent se lier à la surface du catalyseur et l'empoisonner. "Cela réduit le nombre de sites où le dioxyde de carbone peut réagir, et il peut également former des produits chimiques indésirables. Cela se produit très rapidement : certains catalyseurs peuvent durer des centaines d'heures avec une alimentation pure, et en quelques minutes leur efficacité chute à 5 % si ces impuretés sont introduites. »
Bien qu'il existe des méthodes bien établies pour éliminer les impuretés des gaz résiduaires riches en CO2 avant de les introduire dans les électrolyseurs, ces méthodes prennent du temps, sont gourmandes en énergie et augmentent le coût du captage et de la valorisation du carbone. De plus, lorsqu’il s’agit de dioxyde de soufre, même une petite quantité peut causer de gros problèmes.
"Même si vous réduisez la concentration de dégagement de gaz à moins de 10 parties par million, soit 0,001 % de la charge, le catalyseur sera toujours empoisonné dans les 2 heures", a déclaré Papangelakis.
Dans le document, l'équipe décrit comment elle a conçu un catalyseur plus résilient, capable de résister au dioxyde de soufre, en apportant deux modifications clés aux catalyseurs à base de cuivre typiques.
Sur un côté du catalyseur, ils ont ajouté une fine couche de polytétrafluoroéthylène (également connu sous le nom de Téflon). Ce matériau antiadhésif modifie les propriétés chimiques de la surface du catalyseur et empêche la réaction d'empoisonnement au dioxyde de soufre.
De l’autre côté, ils ont ajouté une couche de Nafion, un polymère conducteur souvent utilisé dans les piles à combustible. Ce matériau poreux complexe contient des régions hydrophiles qui absorbent l’eau et d’autres régions hydrophobes qui repoussent l’eau. Cette structure rend difficile l’accès du dioxyde de soufre à la surface du catalyseur.
L’équipe a ensuite ajouté au catalyseur un mélange de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre, dont la concentration est d’environ 400 parties par million et qui est typique des flux de déchets industriels. Même dans des conditions aussi difficiles, le nouveau catalyseur s’est exceptionnellement bien comporté.
"Dans cet article, nous avons signalé une efficacité faradique (une mesure du nombre d'électrons aboutissant dans le produit souhaité) de 50 %, et nous avons pu maintenir cette efficacité pendant 150 heures", a déclaré Papangelakis. "Certains catalyseurs peuvent démarrer avec une efficacité plus élevée, peut-être 75% ou 80%. Mais encore une fois, si vous les exposez au dioxyde de soufre, en quelques minutes ou, tout au plus, en quelques heures, l'efficacité tombe presque à zéro. Nous avons pu y résister."
Comme la méthode de son équipe n’affecte pas la composition du catalyseur lui-même, elle pourrait être largement utilisée. En d’autres termes, les équipes qui ont mis au point des catalyseurs hautes performances devraient pouvoir utiliser des revêtements similaires pour résister à l’empoisonnement par les oxydes de soufre. Bien que les oxydes de soufre soient les impuretés les plus problématiques dans les flux de déchets typiques, ils ne sont pas les seules impuretés, et les prochaines étapes que l'équipe étudiera concerneront l'ensemble des contaminants chimiques.
"Il y a beaucoup d'autres impuretés à prendre en compte, comme les oxydes d'azote, l'oxygène, etc. Mais le fait que cette méthode fonctionne si bien avec les oxydes de soufre est très prometteur. Avant ces travaux, il était tenu pour acquis que les impuretés devaient être éliminées avant de valoriser le CO2. Ce que nous avons montré, c'est qu'il peut y avoir une autre façon de les traiter, et cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités", a déclaré Papangelakis.
Compilé à partir de /ScitechDaily