Les technologies de capture du carbone atmosphérique ne cessent de s’améliorer, mais trouver des solutions pour utiliser le carbone capturé reste un défi. Des scientifiques de l’Université Rice ont mis au point une méthode pour extraire le carbone du dioxyde de carbone et le fixer à des atomes d’hydrogène, formant ainsi du méthane, un combustible précieux et une matière première industrielle.
Selon l’étude publiée dans Advanced Materials, la méthode repose sur l’électrolyse et des catalyseurs développés en greffant des atomes de cuivre isolés sur des gabarits polymères bidimensionnels.
Soumyabrata Roy, chercheur au laboratoire d’Ajayan et auteur principal de l’étude, explique : « La conversion du dioxyde de carbone entraînée par l’électricité peut produire un large éventail de combustibles et de matières premières industrielles via différentes voies. »
La conversion du dioxyde de carbone en méthane implique un processus en huit étapes qui pose en revanche des défis importants pour la production sélective et éco-énergétique de méthane.
« Surmonter ces problèmes peut aider à boucler le cycle artificiel du carbone à des échelles significatives, et le développement de catalyseurs efficaces et abordables est une étape clé pour atteindre cet objectif », ajoute Soumyabrata Roy.
Des catalyseurs performants pour une conversion rapide et efficace
Les gabarits polymères, composés d’atomes de carbone et d’azote alternés, possèdent de minuscules pores où les atomes de cuivre peuvent s’insérer à différentes distances les uns des autres. Les catalyseurs se forment à température ambiante dans l’eau, les atomes de cuivre remplaçant les ions métalliques hôtes dans les gabarits polymères.
Lorsqu’ils sont testés dans un réacteur, les catalyseurs permettent la réduction du dioxyde de carbone en méthane dans une moitié de la cellule, tandis que l’oxygène est produit à partir de l’eau dans l’autre moitié.
«Nous avons constaté que la modulation des distances entre les atomes de cuivre réduisait l’énergie nécessaire pour les étapes clés de la réaction, accélérant ainsi la conversion chimique», explique Soumyabrata Roy. «Cette action coopérative des atomes de cuivre voisins a permis de produire du méthane avec un taux de sélectivité et d’efficacité très élevé.»
En synthèse
Les catalyseurs développés par les chercheurs du Rice ont permis l’une des conversions les plus rapides et les plus efficaces du dioxyde de carbone en méthane par électrolyse connues à ce jour. Cette avancée contribue à faire progresser le processus de conversion tant en termes de compréhension scientifique fondamentale que de niveau de performance.
Pour une meilleure compréhension
1. Quel est l’objectif de cette méthode de conversion du CO2 en méthane ?
L’objectif est de trouver une solution pour utiliser le carbone capturé en le transformant en méthane, un combustible précieux et une matière première industrielle.
2. Sur quoi repose cette méthode ?
La méthode repose sur l’électrolyse et des catalyseurs développés en greffant des atomes de cuivre isolés sur des gabarits polymères bidimensionnels.
3. Quels sont les défis de la conversion du CO2 en méthane ?
La conversion implique un processus en huit étapes qui pose des défis importants pour la production sélective et éco-énergétique de méthane.
4. Comment fonctionnent les catalyseurs ?
Les catalyseurs se forment à température ambiante dans l’eau, les atomes de cuivre remplaçant les ions métalliques hôtes dans les gabarits polymères.
5. Quels sont les résultats obtenus avec ces catalyseurs ?
Les catalyseurs ont permis l’une des conversions les plus rapides et les plus efficaces du dioxyde de carbone en méthane par électrolyse connues à ce jour.
“Cooperative Copper Single Atom Catalyst in Two-dimensional Carbon Nitride for Enhanced CO2 Electrolysis to Methane” | Advanced Materials | DOI: 10.1002/adma.202300713
Authors: Soumyabrata Roy, Zhengyuan Li, Zhiwen Chen, Astrid Campos Mata, Pawan Kumar, Saurav Sarma, Ivo Teixeira, Ingrid Silva, Guanhui Gao, Nadezda Tarakina, Golam Kibria, Chandra Veer Singh, Jingjie Wu and Pulickel Ajayan
Photo : Soumyabrata Roy est chercheur postdoctoral associé à l’université de Rice en science des matériaux et en nano-ingénierie, et auteur principal de l’étude. (Photo de Gustavo Raskosky/Université de Rice)
Photo : Pulickel Ajayan est professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson et président du département de science des matériaux et de nano-ingénierie. (Photo de Jeff Fitlow/Université de Rice)
