Dans un contexte où le réchauffement climatique continue de menacer nos sociétés et les écosystèmes, la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est plus que jamais une priorité. Une équipe de chercheurs de l’Université Polytechnique de Hong Kong (PolyU) propose une solution innovante pour transformer le CO2 en éthylène, un pas de plus vers la neutralité carbone.
Le réchauffement climatique est une réalité incontestable, et le CO2 représente la plus grande part des gaz à effet de serre responsables de cette augmentation des températures.
Pour lutter contre le changement climatique et atteindre l’objectif de neutralité carbone, l’équipe de chercheurs de PolyU a mis au point un système d’électro-réduction du CO2 durable, hautement sélectif et économe en énergie. Ce système innovant permet de convertir le CO2 en éthylène, un composé largement utilisé dans l’industrie, offrant ainsi une solution efficace pour réduire les émissions de CO2.
Cette recherche a été publiée dans la revue Nature Energy et a été récompensée par une médaille d’or lors de la 48ème Exposition Internationale des Inventions de Genève en Suisse.
L’éthylène, un composé chimique essentiel
L’éthylène (C2H4) est l’un des produits chimiques les plus demandés au monde, principalement utilisé dans la fabrication de polymères comme le polyéthylène. Ce dernier est ensuite transformé en plastiques et fibres chimiques omniprésents dans notre quotidien. Cependant, sa production est encore majoritairement issue de sources pétrochimiques, engendrant une empreinte carbone considérable.
Une production d’éthylène respectueuse de l’environnement
Dirigée par le Professeur Daniel LAU, la recherche a adopté la méthode de réduction électrocatalytique du CO2, utilisant de l’électricité verte pour convertir le dioxyde de carbone en éthylène. Cette alternative offre une production d’éthylène plus respectueuse de l’environnement et stable. L’équipe de recherche travaille à promouvoir cette technologie émergente afin de la rapprocher de la production de masse, bouclant ainsi le cycle du carbone et visant l’atteinte de la neutralité carbone.
Le Professeur Lau et son équipe ont innové en éliminant l’électrolyte à base de métaux alcalins et en utilisant de l’eau pure comme anolyte sans métal pour prévenir la formation de carbonate et le dépôt de sel. Leur conception est désignée sous le nom de système APMA, où A représente la membrane échangeuse d’anions (AEM), P la membrane échangeuse de protons (PEM) et MA l’assemblage de membranes résultant.
Lorsqu’une pile sans métaux alcalins contenant l’APMA et un électrocatalyseur en cuivre a été construite, elle a produit de l’éthylène avec une haute spécificité de 50%. Elle a également pu fonctionner pendant plus de 1 000 heures à un courant de niveau industriel de 10A, ce qui représente une augmentation significative de la durée de vie par rapport aux systèmes existants, signifiant que le système peut être facilement étendu à une échelle industrielle.
Des tests concluants et un catalyseur spécialisé
Des tests supplémentaires ont montré que la formation de carbonates et de sels était supprimée, sans perte de CO2 ou d’électrolyte. C’est un point crucial, car les cellules précédentes utilisant des membranes bipolaires au lieu de l’APMA souffraient de la perte d’électrolyte due à la diffusion d’ions de métaux alcalins depuis l’anolyte. La formation d’hydrogène, en compétition avec l’éthylène, un autre problème affectant les systèmes antérieurs qui utilisaient des environnements cathodiques acides, a également été minimisée.
Un autre aspect clé du processus est le catalyseur électrospécialisé. Le cuivre est utilisé pour catalyser une large gamme de réactions dans l’industrie chimique. Cependant, le catalyseur spécifique utilisé par l’équipe de recherche a tiré parti de caractéristiques distinctives. Les millions de sphères de cuivre à l’échelle nanométrique avaient des surfaces richement texturées, avec des marches, des défauts d’empilement et des joints de grains. Ces «défauts», par rapport à une structure métallique idéale, ont fourni un environnement favorable à la progression de la réaction.
Vers une production verte d’éthylène
Le Professeur Lau a déclaré : «Nous travaillerons sur d’autres améliorations pour renforcer la sélectivité du produit et chercherons des opportunités de collaboration avec l’industrie. Il est clair que cette conception de cellule APMA sous-tend une transition vers une production verte d’éthylène et d’autres produits chimiques précieux et peut contribuer à réduire les émissions de carbone et à atteindre l’objectif de neutralité carbone.»
Ce projet innovant de PolyU a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de l’Université d’Oxford, du Centre National de Recherche en Rayonnement Synchrotron de Taïwan et de l’Université de Jiangsu.
Article : « Pure-water-fed, electrocatalytic CO2 reduction to ethylene beyond 1,000 h stability at 10 A » – 10.1038/s41560-023-01415-4
