D'un gaz à effet de serre à une matière première industrielle
Au lieu d'être rejeté dans l'atmosphère et d'aggraver le problème du changement climatique, le CO2 peut aussi être utilisé comme matière première pour des substances nécessaires aux processus industriels, comme l'acide formique ou le méthanol. La conversion du CO2 a déjà été étudiée en détail dans des études de laboratoire, les nanodiamants servant de photocatalyseur écologique. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer de microtechnique et de microsystèmes (IMM) travaillent maintenant avec des partenaires pour transformer cette réaction en un processus continu, ce qui la rapproche beaucoup plus d'une application dans le monde réel.
La lumière visible comme source d'énergie pour la conversion photocatalysée du CO2 sur des surfaces en diamant.
© Fraunhofer IMM
Compte tenu des dommages causés par le CO2 au climat, les gouvernements et les entreprises s'efforcent de limiter autant que possible leurs émissions. Toutefois, dans les cas où il ne peut être évité, le CO2 pourrait bientôt être utilisé comme matière première dans la production de blocs de construction C1 pertinents pour l'industrie, tels que l'acide formique ou le méthanol, qui ne contiennent qu'un seul atome de carbone. Une méthode possible fait appel aux nanodiamants : Le CO2 est converti en acide formique en utilisant des nanodiamants comme catalyseur et en les irradiant avec une lumière UV-C à ondes courtes dans un environnement aqueux. Cette méthode est actuellement étudiée dans les laboratoires du professeur Anke Krüger à l'université de Würzburg (bien que le professeur Krüger travaille désormais à l'université de Stuttgart). L'utilisation du diamant comme catalyseur peut sembler onéreuse, mais le diamant utilisé dans ce processus n'est pas un diamant de qualité joaillière coûteux ; il s'agit d'un diamant de détonation qui est produit à l'échelle industrielle et qui est donc relativement bon marché en tant que catalyseur. En outre, il est constitué en grande partie de carbone et constitue donc un catalyseur "vert", respectueux de l'environnement.
Les chercheurs de Fraunhofer IMM, en collaboration avec le professeur Krüger et Sahlmann Photochemical Solutions GmbH, font maintenant un pas de plus vers une application réelle de ces réactions dans le cadre du projet CarbonCat. "Jusqu'à présent, les expériences ont été réalisées dans un réacteur discontinu, c'est-à-dire un ballon agité. Cette méthode présente certains inconvénients", explique le Dr Thomas Rehm, l'un des scientifiques du Fraunhofer IMM. "Premièrement, le contact entre la phase gazeuse et liquide et le catalyseur n'est pas idéal ; deuxièmement, le catalyseur - c'est-à-dire les nanoparticules qui flottent - doit être séparé de la solution après la réaction."
Un catalyseur en diamant à grande surface
L'équipe de recherche a donc imaginé un moyen d'appliquer le catalyseur sur de grandes surfaces - plus précisément, des plaques de réaction mesurant environ 5 sur 9 centimètres. "Le processus discontinu que nous avons utilisé jusqu'à présent consiste à placer tous les composants dans un flacon et à attendre que la réaction arrive à son terme, mais nous voulons parvenir à un fonctionnement continu", explique Rehm. À cette fin, les chercheurs ont mis au point un microréacteur doté d'une plaque de réaction verticale qui présente des microcanaux recouverts du catalyseur en diamant. Au sommet de la plaque se trouve une fente dans laquelle de l'eau est constamment pompée. Le liquide s'écoule ensuite le long de la plaque. Les forces capillaires entraînent la formation d'un film liquide d'une épaisseur de 10 à 50 micromètres, qui recouvre constamment les microcanaux. Le CO2 est dirigé sur la plaque de réaction par le bas dans une configuration à contre-courant. "De cette manière, nous pouvons appliquer des quantités beaucoup plus importantes de dioxyde de carbone directement sur le film de catalyseur et dans un plus petit volume de solution. Cela améliore le contact gaz-liquide-solide, ce qui peut entraîner une plus grande conversion du CO2 et donc une plus grande quantité d'acide formique", explique M. Rehm.
Lumière visible au lieu de lumière UV
En outre, les chercheurs n'utilisent plus la lumière UV-C, très énergivore, comme dans le cas du catalyseur nanométrique, mais la lumière visible, plus économique et plus facile à manipuler. Il faut pour cela modifier la surface du diamant, qui doit capter la lumière visible tout en déclenchant la même réaction que le diamant nanométrique. À cette fin, les chercheurs ont lié chimiquement des complexes métalliques - des composés organiques dotés d'un centre métallique et capables de capter la lumière visible - à la surface du diamant. Toutefois, ces complexes ne recouvrent pas toute la surface, ce qui signifie que le liquide et le dioxyde de carbone entrent toujours en contact avec la couche de diamant. Lorsque la lumière visible brille sur le revêtement modifié, certains électrons sont soulevés du réseau cristallin du diamant et se retrouvent à la surface de la couche de diamant. Ils sont ensuite transférés au CO2 de sorte que, en combinaison avec l'eau, l'acide formique peut être formé. "Ce que nous avons ici est une pompe à électrons alimentée par la lumière", confirme M. Rehm. Afin de fournir davantage d'électrons, l'équipe peut appliquer une faible tension électrique à la surface du diamant.
Certaines étapes importantes - le catalyseur à grande surface et l'utilisation de la lumière visible - ont déjà été franchies. Un aspect sur lequel l'équipe de recherche travaille encore est le faible temps de contact : Actuellement, la réaction entre le CO2, l'eau et la couche de diamant ne dure que 10 à 15 secondes, ce qui n'est pas suffisant pour produire la quantité d'acide formique requise pour les applications du monde réel. Les chercheurs envisagent deux solutions : des complexes métalliques plus efficaces afin d'augmenter la vitesse de réaction, et l'adaptation du réacteur pour permettre des temps de contact plus longs.
Combinaison de la photochimie et de la biocatalyse
Dans un autre projet, une équipe composée de membres de quatre instituts Fraunhofer différents fait de nouveaux progrès dans l'utilisation de la lumière en chimie. Le projet associe la catalyse photochimique à la biocatalyse - c'est-à-dire à des réactions dans lesquelles des enzymes biologiques servent de catalyseur - et réunit ainsi deux procédés très doux. L'objectif est de produire des produits chimiques fins avec un degré élevé de pureté énantiomérique, comme l'exigent des applications telles que les produits pharmaceutiques ou agrochimiques. L'équipe de recherche exploite ici des réactions en cascade, rendues possibles par le couplage des deux méthodes catalytiques. Le consortium espère atteindre un haut degré de synergie pour la synthèse de molécules complexes à l'avenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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