La catalyse peut-elle nous sauver de notre problème de CO2?

La planète Terre a un problème de dioxyde de carbone. Chaque jour, nous entendons parler des émissions de CO2 qui contribuent à la hausse des températures mondiales et au changement climatique sans précédent. Les activités humaines pompent environ 37,1 milliards de tonnes de CO2 dans l’air chaque année, dont près de 80 % proviennent directement des combustibles fossiles. Alors que les émissions sont en baisse dans certaines économies avancées, la tendance mondiale à l’augmentation des émissions montre peu de signes de ralentissement – en fait, 2019 devrait connaître l’une des plus fortes augmentations des niveaux de CO2 atmosphériques depuis le début des enregistrements. Si la situation continue, les chances d’atteindre les objectifs de l’Accord de Paris diminueront et le spectre d’un chaos climatique irréversible deviendra une réalité terrifiante.

Des scientifiques du monde entier travaillent sur des moyens de résoudre ce problème, notamment en capturant le CO2 produit par les activités de l’humanité. Mais une fois capturé, comment pouvons-nous utiliser à bon escient le CO2 formé comme sous-produit de tant de processus? Certains disent le stocker sous terre, d’autres suggèrent que nous devrions le traiter comme une ressource précieuse qui ne devrait pas être jetée. Les entreprises commercialisent déjà des technologies qui convertissent le CO2 capté en matériaux de construction, en engrais et même en plastique. Une autre proposition est d’utiliser le gaz directement pour la récupération assistée du pétrole, bien que les pouvoirs verts de cette option soient douteux.

Un domaine de recherche de plus en plus actif vise à exploiter l’électricité renouvelable pour transformer le CO2 indésirable en produits chimiques précieux. Transformer le CO2 en combustibles et matières premières transforme non seulement un déchet polluant en quelque chose d’utile, mais réduit également notre dépendance aux combustibles fossiles qui le génèrent en premier lieu. “Nous essayons de voir, si nous commençons par le CO2 comme source de carbone plutôt que comme source de carbone pétrolier, quel type de chimie nous pouvons faire et quel type de produits nous pouvons fabriquer”, explique Feng Jiao, qui dirige un groupe de recherche sur les dispositifs électrochimiques pour l’utilisation du carbone à l’Université du Delaware.

Le procédé fonctionne généralement en introduisant un flux concentré de CO2 dans une cellule d’électrolyse. Le CO2 est réduit à la surface d’une électrode et, en fonction du nombre d’électrons transférés, une gamme de molécules peut être fabriquée. Ces produits sont formés dans l’électrolyte puis alimentés dans un système de séparation, tandis que l’électrolyte et le CO2 n’ayant pas réagi sont recyclés. Les produits courants sont le monoxyde de carbone, le méthane et l’acide formique. Mais des produits plus complexes – et précieux – comme l’éthanol et même le propanol sont possibles.

Économie du carbone

Jiao a effectué une analyse approfondie de l’économie de l’électroréduction de CO2 à grande échelle,1 et a témoigné l’année dernière devant un comité de l’énergie du Sénat américain sur le potentiel de la technologie. Les considérations financières clés sont le prix du CO2 capté, les matériaux des électrolyseurs et leur durée de vie, la purification du produit et, surtout, le coût de l’électricité qui alimente le processus. “Le coût de l’électricité est vraiment important, il représente environ 70% du coût total d’exploitation”, note Jiao. Cela signifie qu’à mesure que le coût de l’électricité produite à partir de sources renouvelables continue de baisser, la conversion électrocatalytique du CO2 devient une perspective alléchante. Les modèles actuels suggèrent cela à un prix d’électricité de 0 £.03 / kWh, l’électroréduction de CO2 devient un moyen compétitif de produire plusieurs produits plus couramment dérivés de sources de combustibles fossiles. Pour mettre cela en contexte, les projets éoliens terrestres produisent déjà de l’électricité à moins de 0,05 £ le kWh, certains étant systématiquement inférieurs à l’objectif de 0,03 £.

Un avantage supplémentaire de la réduction du CO2 par rapport, par exemple, à l’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène, est que les produits hydrocarbonés liquides générés sont prêts à alimenter les infrastructures énergétiques et de transport existantes. Jiao observe également que, bien que les technologies d’électrolyseurs soient actuellement utilisées à petite échelle en laboratoire, elles sont intrinsèquement évolutives et adaptées aux sources de CO2, telles que les centrales électriques ou les usines chimiques. “Je pense que cette technologie peut être mise en œuvre dans un laps de temps relativement court”, ajoute-t-il.

La technologie peut-elle vraiment réduire les quantités de CO2 rejetées dans le monde? Jiao estime qu’il faudrait 1,5 billion de watts – soit environ 8% de la production totale d’énergie mondiale – pour convertir le CO2 libéré par le seul secteur énergétique américain en produits les plus simples. “Bien sûr, c’est un problème compliqué – vous ne pourrez certainement pas simplement prendre toute l’électricité et faire cette conversion, car d’autres endroits ont besoin d’électricité”, dit-il. Mais Jiao est catégorique: la nécessité de cesser d’utiliser des combustibles fossiles, associée à la disponibilité croissante d’électricité renouvelable, créera une opportunité unique pour les systèmes électrochimiques. “Mais n’oubliez pas que la conversion électrochimique du CO2 n’est qu’une partie de la voie à suivre pour résoudre le problème des émissions de CO2”, ajoute Jiao. Il prédit un avenir où les approches électrocatalytiques font partie d’une série de technologies – y compris des processus thermochimiques et biologiques – pour lutter contre nos problèmes d’émissions.

Pour réaliser cette vision, il faudra trouver des solutions à un certain nombre de problèmes. Les surpotentiels requis pour piloter le processus doivent diminuer, de sorte que moins d’électricité est nécessaire pour réduire le CO2. Il est également important d’augmenter l’efficacité de la conversion, en transformant une plus grande partie du CO2 qui circule dans le système en combustibles et matières premières de valeur. Ceux-ci doivent être formés à des concentrations élevées avec un minimum de produits secondaires, afin de réduire les coûts – à la fois financiers et énergétiques – de la séparation des mélanges. Et les produits eux-mêmes doivent être améliorés – en créant des produits chimiques plus complexes et plus précieux, la technologie devient plus économique, avec un meilleur retour sur investissement. Les progrès récents ont fait des progrès sur tous ces objectifs, renforçant l’opinion de Jiao selon laquelle cette technologie sera viable dans un avenir proche.

Beaucoup de travail est maintenant en cours pour élargir les types de molécules que vous pouvez fabriquer. “Les matériaux les plus intéressants pour la communauté de l’électrolyse du CO2 sont probablement les catalyseurs à base de cuivre”, explique Jiao. “C’est parce que ceux–ci peuvent créer des liaisons carbone–carbone – vous pouvez donc créer des composés en C2 ou même en C3.”L’éthylène est particulièrement attrayant car il peut être utilisé pour fabriquer une vaste gamme de composés, tandis que l’éthanol et le propanol peuvent être utilisés comme carburants.

Effets de surface

Les approches de pointe exigent que le CO2 soit d’abord réduit en CO, qui peut ensuite réagir davantage. Un processus en deux étapes semble la voie la plus probable pour les technologies d’électrolyseur. Cependant, un rapport récent a démontré un catalyseur tandem d’or et de cuivre sur lequel des nanoparticules d’or génèrent une forte concentration de CO, qui est ensuite réduit en alcools tels que l’éthanol et le n-propanol par une feuille de cuivre environnante.2 Ce système est 100 fois plus sélectif pour les produits en C2 que les produits à carbone unique comme le méthane ou le méthanol.

La structure de surface du catalyseur joue un rôle essentiel. Il a été démontré qu’une électrode composée de nanoparticules de cuivre sur un film texturé à base de graphène générait de l’éthanol à partir de CO2 dans des sélectivités aussi élevées que 84% et qu’ailleurs, des surfaces de cuivre dopées au bore ont également été montrées pour améliorer la stabilité du catalyseur et la génération de produits en C2. Le groupe de Jiao a récemment montré qu’une sélection minutieuse de la surface de cuivre exposée dans des nanofeuilles 2D peut supprimer la formation de sous-produits communs tout en générant de l’acétate à des taux et des sélectivités élevés.

Ted Sargent dirige un groupe de l’Université de Toronto qui a étudié en profondeur le rôle des défauts dans la performance des catalyseurs. Ils ont récemment développé des particules de cuivre avec des nanocavités spécialement adaptées qui favorisent la formation de propanol.3 Les cavités emprisonnent efficacement les intermédiaires en C2 en forçant un autre carbone sur eux. Le système a obtenu des sélectivités de propanol nettement plus élevées que les autres catalyseurs de pointe. “C’est une véritable avancée, c’est une efficacité faradaïque impressionnante pour les produits C3 et cela montre une poignée, le levier pour diriger la réduction du CO vers les produits à trois carbones”, explique Sargent. Le groupe a également montré que l’introduction d’adparticules – des amas d’atomes peu coordonnés – sur les surfaces des électrodes peut fournir des résultats tout aussi impressionnants et Sargent pense que d’autres développements permettront la production de C4 et de chaînes carbonées encore plus longues à l’avenir.

Bien que la capacité de fabriquer ces produits complexes soit un avantage évident, de nouvelles innovations améliorent également l’efficacité des systèmes d’électrolyseurs. En particulier, les électrodes de diffusion gazeuse surmontent les problèmes posés par la faible solubilité du CO dans les électrolytes aqueux et permettent des taux de conversion plus élevés. Ces électrodes incorporent une couche poreuse à travers laquelle le gaz est envoyé avant d’atteindre le catalyseur. Le groupe de Sargent a mis en évidence un catalyseur formé d’une couche de cuivre de 100 nm d’épaisseur déposée sur une couche de diffusion gazeuse à base de carbone qui a permis la production d’éthylène à partir de CO2 avec une sélectivité de 70%.4 Pendant ce temps, l’équipe de Jiao a utilisé des électrodes poreuses dans un système qui offre l’électroréduction signalée la plus rapide de CO à des produits de deux carbones de long et au-delà. Cependant, même dans ce cas, seulement 26% du CO total entrant dans la cellule est converti en un seul passage.5

Consommatrices de gaz

Une solution technique au problème de conversion pourrait déjà exister. Dans une autre étude récente, une équipe dirigée par Matt Kanan de l’Université de Stanford a réutilisé la technologie de flux utilisée dans l’industrie des piles à combustible pour améliorer la diffusion des gaz. L’équipe a utilisé un champ d’écoulement interdigité pour forcer autant de gaz que possible dans la couche de diffusion gazeuse de l’électrode dans un système produisant de l’acétate de sodium à partir de CO.

‘ La première chose que nous avons faite a vraiment été d’essayer de maximiser le transport du CO à la surface du catalyseur et simultanément l’extraction des produits du catalyseur “, explique Kanan. “Et puis la deuxième grande chose que nous avons faite, c’est que nous avons joué avec l’interface entre l’électrode et le reste de la cellule pour vraiment essayer de minimiser la quantité d’électrolyte liquide afin que nous puissions produire des flux de produits liquides concentrés”, ajoute-t-il. Le système réalise une conversion impressionnante de 68% du CO entrant dans la cellule en un seul passage.

En plus de fabriquer des combustibles et des matières premières pour les processus quotidiens, ces électrolyseurs de CO2 pourraient un jour avoir des applications plus lointaines. Le groupe de Kanan travaille avec la Nasa pour transformer le CO2 en aliments et matières premières pour les missions spatiales à long terme. “L’essentiel de notre collaboration est que vous pouvez concevoir des microbes pour prendre des substrats et produire toutes sortes de choses utiles pour maintenir la vie humaine, y compris des aliments, des nutriments et des vitamines”, explique Kanan. “Mais pour certaines raisons, vous ne pouvez pas vraiment utiliser des organismes photosynthétiques, ce n’est tout simplement pas assez efficace pour utiliser une photoréaction dans l’espace.’

Pour soutenir les microbes dans ces conditions, l’équipe de Kanan propose de recycler le CO2 expiré par les astronautes. “Il s’avère que si vous pouvez fabriquer un substrat en C2, en particulier l’acétate, un certain nombre de micro-organismes peuvent non seulement se développer, mais peuvent également utiliser l’acétate comme source de carbone et d’énergie pour la biosynthèse et pour fabriquer toutes sortes de choses utiles”, explique Kanan.

Bien que ces avancées soient prometteuses, il reste encore du travail à faire. Une préoccupation majeure est que la plupart des nouvelles recherches se concentrent uniquement sur les efficacités du côté de la cellule où la réduction a lieu. “En tant que communauté, nous devons commencer à examiner l’efficacité globale de conversion de puissance, car nos modèles technico-économiques montrent tous que cela doit dépasser 50% et que la plupart des appareils que nous rapportons se situent entre 20 et 30% – et ce sont les meilleurs.” dit Sargent. “L’élaboration d’approches visant à obtenir une sélectivité maximale dans les courants élevés, mais en tension minimale, reste une priorité élevée.”

Montrer comment les systèmes peuvent ensuite être conçus à plus grande échelle et démontrer leur durabilité sera également un défi considérable. Le modèle économique de Jiao prend en compte les systèmes commerciaux de réduction du CO2 avec une durée de vie de 20 ans. “Mais au laboratoire, nous pouvons à peine tester une semaine – il y a donc un écart important”, dit-il.

Il y a sans aucun doute encore des obstacles à surmonter avant que cette technologie puisse être utilisée à grande échelle, mais utiliser de l’électricité propre pour convertir le CO2 en combustibles et matières premières pouvant être rapidement intégrés aux infrastructures existantes est un objectif important et réalisable. Le domaine suscite un intérêt majeur de la part des universités, des start-ups et des agences gouvernementales et le développement au cours des prochaines années sera crucial si la technologie doit nous aider à nous sauver de nous-mêmes.