Partout dans le monde, les scientifiques et les chercheurs explorent sans relâche des méthodes pour exploiter le dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère ou dans les émissions des centrales électriques et le transformer en une ressource précieuse. Parmi ces initiatives, Des ingénieurs du MIT et de Harvard ont transformé le CO2 en un carburant efficace capable de remplacer les combustibles fossiles Dans diverses applications. Les méthodes de conversion antérieures se heurtaient à des défis tels qu'une faible efficacité carbone et la production de carburants dangereux. Le nouveau procédé devrait être plus efficace à plus grande échelle.
Des chercheurs du MIT et de l'Université Harvard ont réalisé une avancée significative en créant un processus efficace Capable de transformer le dioxyde de carbone en formiate, cette avancée remarquable ouvre la voie à l'utilisation du formiate comme matériau polyvalent, sous forme liquide ou solide, utilisable comme le méthanol ou l'hydrogène pour alimenter les piles à combustible et produire de l'électricité.
Le nouveau procédé est développé par l'équipe de doctorants du MIT, Alexandre H. Quinn, zhen zhang et Zhichu Ren avec Dawei Xi un étudiant de l'Université de Harvard et du MIT Professeur Ju LI.
Le formiate de sodium, communément appelé potassium, est déjà produit à l'échelle industrielle. Il est le plus souvent utilisé utilisé comme dégivreur Pour les trottoirs et les routes. Ininflammable et non toxique, il est facile à stocker et à transporter. De plus, il conserve sa stabilité dans des cuves en acier ordinaires, permettant ainsi son utilisation pendant des mois. Il arrive même que le matériau soit utilisé des années après sa production.
À propos du processus
Le l'ensemble du processus consiste à Capture et conversion électrochimique du gaz en poudre de formiate solide. À petite échelle, en laboratoire, l'équipe a démontré le procédé par lequel cette poudre était transférée dans une pile à combustible pour produire de l'électricité.
Selon le professeur Li, d'autres approches La conversion du dioxyde de carbone en carburant implique un processus en deux étapes :
- Pour capturer et convertir le gaz en carbonate de calcium, une forme solide. Le matériau est ensuite chauffé, ce qui permet d'éliminer le dioxyde de carbone. Il est ensuite transformé en combustible, comme le monoxyde de carbone.
- La deuxième étape n'est pas très efficace. Elle convertit généralement moins de 20 % du dioxyde de carbone gazeux en produit souhaité.
La capture et la conversion du carbone sont une processus qui commence par Capture du dioxyde de carbone à l'aide d'une solution alcaline. Cette solution concentre le dioxyde de carbone provenant de différentes sources, comme les centrales électriques ou même l'air, sous forme de bicarbonate métallique liquide.
Grâce à l'utilisation d'un électrolyseur à membrane échangeuse de cations, le bicarbonate est transformé électrochimiquement en cristaux de formiate solides. efficacité carbone de plus de 96 pour cent a été validé par des expériences rigoureuses à l’échelle du laboratoire menées par l’équipe.
Selon le professeur Li, le les cristaux n'expirent pas et peut être stocké pendant de nombreuses années sans perte. En revanche, même les meilleurs réservoirs de stockage d'hydrogène actuellement disponibles laissent échapper environ 1 % de gaz par jour. Il est donc impossible de les utiliser pour un stockage à long terme.
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Taux de conversion élevé
En revanche, le nouveau procédé permet d’obtenir un taux de conversion de plus de 90 pour cent, surpassant la méthode précédente. De plus, élimine le besoin pour l'étape de chauffage inefficace en transformant le dioxyde de carbone en une forme intermédiaire hautement efficace connue sous le nom de bicarbonate de métal liquide.
Le liquide est ensuite transformé en formiate de potassium ou de sodium liquide par conversion électrochimique dans un électrolyseur alimenté par de l’électricité à faible émission de carbone, comme l’énergie nucléaire, éolienne ou solaire.
Différentes formes de formiate
Selon le professeur Li, la solution de formiate de potassium ou de sodium, qui est très concentrée, peut être ensuite séché pour créer une poudre solide. Ce processus peut être réalisé grâce à des méthodes comme l'évaporation solaireLa poudre obtenue est exceptionnellement stable et peut être stockée en toute sécurité dans des réservoirs en acier standard pendant des périodes prolongées, s'étendant sur des années, voire des décennies.
Les ingénieurs du MIT et de Harvard ont transformé le CO2 en carburant efficace et le succès de ce processus a inspiré les chercheurs à le rendre évolutif afin qu'il puisse produire de la chaleur sans émission Elle peut également alimenter des maisons individuelles. Elle peut également être utilisée pour des opérations à l'échelle du réseau ou dans l'industrie.
Selon le professeur Li, le développement par l'équipe de nombreuses techniques d'optimisation a joué un rôle essentiel dans la transformation d'un procédé de conversion chimique inefficace en une solution viable. Le professeur Li, qui occupe des postes aux départements de science et d'ingénierie nucléaires et de science et d'ingénierie des matériaux, souligne l'impact significatif de ces étapes d'optimisation.
Par la suite, si nécessaire, la poudre solide serait mélangée à de l’eau et introduite dans une pile à combustible afin de fournir à la fois de l’énergie et de la chaleur. « Cela est destiné aux démonstrations communautaires ou familiales, mais nous pensons qu'à l'avenir, cela pourrait également être bénéfique pour les usines ou le réseau électrique. » Zhang a déclaré.
Bien que le méthanol soit une substance toxique qui présente des défis en termes de sécurité, le formiate apparaît comme une alternative viable et plus sûre pour transformer le dioxyde de carbone en un combustible adapté aux piles à combustible. Les normes nationales de sécurité reconnaissent le formiate comme un option largement utilisée et inoffensive, offrant une solution fiable sans compromettre le bien-être des individus en cas de fuite potentielle.
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Étapes menant au succès
L’efficacité de ce processus a été grandement améliorée grâce à plusieurs améliorations.
- Tout d’abord, une conception bien pensée des matériaux de la membrane et de leur disposition a permis de résoudre un problème rencontré lors des tentatives précédentes de ce système.
- Dans ces cas, l’accumulation de sous-produits chimiques spécifiques modifierait le pH, entraînant une baisse progressive de l’efficacité au fil du temps.
Zhang dit : Traditionnellement, il est difficile d'obtenir une conversion stable, continue et à long terme des matières premières. La clé de notre système est d'atteindre un pH équilibré pour une conversion à l'état stable.
En ordre pour y parvenirLes chercheurs ont réalisé une modélisation thermodynamique afin de concevoir un nouveau procédé qui maintient l'équilibre chimique et un pH stable sans fluctuations d'acidité. Ce faisant, le système peut fonctionner avec une efficacité optimale pendant de longues périodes.
Le système était testé pendant plus de 200 heures et le rendement n'a pas diminué de manière significative. Le procédé peut être réalisé à température ambiante et à des pressions relativement basses, environ cinq fois la pression atmosphérique.
Un autre problème résidait dans la production de sous-produits chimiques inutiles en raison de réactions secondaires indésirables. Cependant, l'équipe a résolu ce problème en introduisant une couche supplémentaire de laine de verre enrichie en bicarbonate, empêchant ces réactions.
De plus, l’équipe a développé une pile à combustible Spécialement conçu pour utiliser efficacement ce formiate comme combustible pour la production d'électricité, le formiate stocké se dissout facilement dans l'eau, puis est injecté sans problème dans la pile à combustible dès que nécessaire.
Selon Li, même si le combustible solide est nettement plus lourd que l'hydrogène pur, lorsque l'on prend en compte le poids et la taille des réservoirs de gaz à haute pression nécessaires pour stocker l'hydrogène, le résultat global est une production d'électricité qui est presque égal pour un volume de stockage donné.
Diverses applications potentielles du formiate
Selon les chercheurs, le carburant au formiate a la potentiel de personnalisation Pour une large gamme d'applications, des petites unités domestiques aux grandes applications industrielles, en passant par les systèmes de stockage à l'échelle du réseau. À l'échelle domestique, un électrolyseur de la taille d'un réfrigérateur pourrait être utilisé pour capter et convertir le dioxyde de carbone en formiate, qui peut ensuite être stocké dans un réservoir souterrain ou sur le toit.
Des ingénieurs du MIT et de Harvard ont transformé le CO2 en carburant efficace et un professeur de chimie et de génie électrique et informatique à l'Université Northwestern, Ted Sargent, qui ne fait pas partie de cette étude, a déclaré : L'économie du formiate est un concept fascinant, car les sels de formiate métallique sont très bénins et stables, et constituent un vecteur énergétique intéressant. Les auteurs ont démontré une efficacité accrue de la conversion liquide-liquide de bicarbonate en formiate, et ont démontré que ces combustibles peuvent être utilisés ultérieurement pour produire de l'électricité.
