Des recherches et des expériences continues sont menées pour trouver la meilleure façon de capturer le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département de l'Énergie des États-Unis et de l'Université Columbia ont mis au point une méthode innovante. Le procédé de production de nanofibres de carbone solides à partir de catalyseurs au CO₂ permettra non seulement de capturer le carbone, mais aussi de produire de l'hydrogène comme sous-produit.
Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven (département de l'Énergie des États-Unis) et de l'Université Columbia ont mis au point une méthode permettant de transformer le dioxyde de carbone (CO₂) en nanofibres de carbone. Ces matériaux possèdent diverses propriétés particulières et pourraient trouver de nombreuses applications à l'avenir. La stratégie employée repose sur la combinaison de réactions électrochimiques et thermochimiques réalisées à basse température et sous pression constante. Comme l'expliquent les scientifiques dans leur publication , cette méthode innovante permet de séquestrer efficacement le carbone sous forme solide, contribuant ainsi à atténuer, voire à inverser, les émissions de carbone. De plus, le procédé génère également de l'hydrogène (H₂ ) , un carburant alternatif très prometteur qui, lorsqu'il est utilisé, ne produit aucune émission.
Jingguang Chen, professeur de génie chimique à l'université Columbia et responsable de la recherche , également affilié au laboratoire de Brookhaven, a déclaré : « On peut incorporer des nanofibres de carbone au ciment pour le renforcer. Cela permettrait de piéger le carbone dans le béton pendant au moins 50 ans, voire plus. D'ici là, le monde devrait être passé à des sources d'énergie principalement renouvelables et non émettrices de carbone. »
Capture et conversion du carbone
Capturer et convertir le CO2 pour lutter contre le changement climatique n'est pas un concept nouveau. Cependant, le simple stockage du CO2 gazeux peut entraîner des fuites. De nombreuses conversions de CO2 produisent des produits chimiques ou des carburants à base de carbone qui sont immédiatement utilisés, rejetant ainsi du CO2 dans l'atmosphère.
Le professeur Chen a déclaré : « La nouveauté de ce travail réside dans le fait que nous essayons de convertir le CO2 en quelque chose à valeur ajoutée, mais sous une forme solide et utile. »
Les nanofibres et nanotubes de carbone sont des matériaux carbonés solides dont les dimensions sont de l'ordre du milliardième de mètre. Leurs propriétés incluent la résistance et la conductivité thermique et électrique. Extraire le carbone du CO2 et l'assembler en structures fines n'est pas chose aisée. Un procédé utilisant la chaleur nécessite des températures supérieures à 1,000 XNUMX °C.
« Pour une réduction à grande échelle des émissions de CO2, c’est très irréaliste. En revanche, nous avons découvert un procédé qui peut se produire à environ 400 °C, une température beaucoup plus pratique et réalisable industriellement », a ajouté le professeur Chen.
Le tandem 2-step
La réaction a été divisée en deux étapes pour utiliser deux types de catalyseurs différents. Cela facilite l'organisation et la réaction des molécules.
Zhenhua Xie , auteur principal de l'article et chercheur au laboratoire de Brookhaven et à l'université Columbia, a déclaré : « Si vous décomposez la réaction en plusieurs sous-étapes réactionnelles, vous pouvez envisager d'utiliser différents types d'apports d'énergie et de catalyseurs pour que chaque partie de la réaction fonctionne. »
Étape 1
Les scientifiques ont découvert que l'utilisation du monoxyde de carbone (CO) comme matière première est plus efficace que celle du CO₂ pour la production de nanofibres de carbone (NFC). Ils ont ensuite cherché à déterminer la méthode la plus efficace pour générer du CO à partir du CO₂. Leurs travaux antérieurs les ont conduits à utiliser un électrocatalyseur commercial à base de palladium supporté sur carbone. Cet électrocatalyseur permet de dissocier le CO₂ et l'eau en CO et H₂ grâce à un courant électrique.
Étape 2
Pour la production de nanofibres de carbone solides à partir de catalyseurs CO2, les scientifiques se sont ensuite tournés vers un thermocatalyseur activé par la chaleur, composé d'un alliage fer-cobalt. Ce dernier fonctionne à des températures avoisinant les 400 °C , nettement inférieures à celles requises pour une conversion directe du CO2 en nanofibres de carbone. Ils ont également découvert qu'un ajout de cobalt métallique améliore considérablement la formation des nanofibres de carbone.
Le professeur Chen a déclaré : « En couplant l'électrocatalyse et la thermocatalyse, nous utilisons ce procédé en tandem pour réaliser des choses qui ne peuvent être réalisées par l'un ou l'autre procédé seul. »
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Enquête sur les catalyseurs
Les scientifiques ont mené diverses expériences pour comprendre le fonctionnement de ces catalyseurs. Concernant la modélisation, ils ont utilisé des calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour examiner les structures atomiques et autres propriétés des catalyseurs sous différentes interactions chimiques. Des expériences de diffraction des rayons X réalisées au NSLS-II ont permis de suivre les transformations physiques et chimiques des catalyseurs tout au long des réactions.
Ping Liu, de la division de chimie de Brookhaven , co-auteure et responsable des calculs de l'étude , explique : « Nous étudions les structures afin de déterminer les phases stables du catalyseur dans les conditions réactionnelles. Nous analysons les sites actifs et leurs interactions avec les intermédiaires réactionnels. En déterminant les barrières d'activation, ou états de transition, entre chaque étape, nous comprenons précisément le fonctionnement du catalyseur au cours de la réaction. »
« Pour la deuxième étape, nous voulions savoir quelle est la structure du système fer-cobalt dans les conditions de réaction et comment optimiser le catalyseur fer-cobalt », a ajouté Xie.
Les expériences aux rayons X ont confirmé la présence d'un alliage de fer et de cobalt. Elles ont également révélé la présence de cobalt métallique supplémentaire, nécessaire à la conversion du CO en nanofibres de carbone. Selon Liu, « les deux étapes agissent de concert. D'après notre étude, les sites cobalt-fer de l'alliage contribuent à rompre les liaisons CO du monoxyde de carbone. Cela libère du carbone atomique qui sert de base à la synthèse des nanofibres de carbone. Le cobalt supplémentaire facilite ensuite la formation des liaisons C-C qui relient les atomes de carbone. »
Respectueux de l'environnement et neutre en carbone
Soo Yeon Hwang , scientifique au CFN et co-auteure de l'étude, a déclaré : « L'analyse par microscopie électronique à transmission (MET) réalisée au CFN a révélé les morphologies, les structures cristallines et les distributions élémentaires au sein des nanofibres de carbone, avec et sans catalyseurs. »
Selon le professeur Chen, « les images montrent que, à mesure que les nanofibres de carbone croissent, le catalyseur est repoussé vers le haut et s'éloigne de la surface. Cela facilite le recyclage du métal catalytique. Nous utilisons un acide pour extraire le métal sans détruire la nanofibre de carbone, ce qui nous permet de concentrer les métaux et de les recycler pour les utiliser à nouveau comme catalyseur. »
Ce procédé est rentable pour les raisons suivantes :
- Facilité de catalyseur recyclage
- Disponibilité commerciale des catalyseurs
- Conditions de réaction relativement douces pour la deuxième réaction
« Pour les applications pratiques, deux éléments sont essentiels : l’analyse de l’empreinte CO2 et la recyclabilité du catalyseur. Nos résultats techniques et ces autres analyses montrent que cette stratégie combinée ouvre la voie à la décarbonation du CO2 en produits carbonés solides de valeur tout en produisant de l’hydrogène renouvelable », a ajouté le professeur Chen.
Si la production de nanofibres de carbone solide à partir de catalyseurs de CO2 est alimentée par des ressources renouvelables , elle sera véritablement neutre en carbone . Cela ouvrira de nouvelles perspectives pour la réduction des émissions de CO2.
Source : Combinaison catalytique convertissant le CO2 en nanofibres de carbone solide
