Recyclage du CO₂ : Quel est le rôle de l'électrolyte ?
Comment prévenir l'encrassement des cathodes ?
Le gaz à effet de serre qu'est le dioxyde de carbone peut être converti en hydrocarbures utiles par électrolyse. La conception de la cellule d'électrolyse est cruciale dans ce processus. La cellule dite à zéro gap est particulièrement adaptée aux processus industriels. Mais des problèmes subsistent : Les cathodes se bouchent rapidement. Matthew Mayer et son équipe du HZB ont étudié les causes de ce phénomène et les moyens d'éviter ce processus indésirable.
La mesure EDX montre qu'à des concentrations plus élevées de composés de potassium dissous dans l'électrolyte, des cristaux de potassium se déposent sur la cathode (coin supérieur droit).
© HZB
La combustion du pétrole, du charbon ou du gaz naturel produit du dioxyde de carbone, ouCO2. Ce fameux gaz à effet de serre est l'un des principaux responsables du réchauffement climatique, mais c'est aussi une matière première. Il est techniquement possible de convertir leCO2 en composés de carbone utiles, un processus qui nécessite de l'énergie, de l'eau, des électrodes appropriées et des catalyseurs spéciaux. LeCO2 peut être converti électrochimiquement en monoxyde de carbone, en formiate ou en méthane, mais aussi en éthylène, en propanol, en acétate et en éthanol. Cependant, les procédés industriels doivent être conçus pour être très sélectifs et extrêmement efficaces afin de ne produire que les produits souhaités et non un mélange de produits.
Reconvertir leCO2 en carburant
"En réduisant par électrolyse leCO2 en hydrocarbures utiles, nous pouvons produire de nouveaux carburants sans utiliser de ressources fossiles. Nous réintroduisons donc leCO2 dans le cycle, tout comme le recyclage", explique le Dr Matthew Mayer, chef du groupe de jeunes chercheurs Helmholtz "Conversion électrochimique" au HZB. L'énergie électrique nécessaire à l'électrolyse peut être fournie par l'énergie éolienne ou solaire, ce qui rend le processus durable.
La cellule à écart zéro : un sandwich à plusieurs couches
À l'école, nous savons que l'électrolyse peut être réalisée dans un simple bécher d'eau ; la cellule H, qui a la forme de la lettre H, est une évolution de ce principe. Les électrolyseurs industriels sont plutôt conçus selon une architecture en sandwich composée de plusieurs couches : À droite et à gauche se trouvent les électrodes qui conduisent le courant et sont recouvertes de catalyseurs, une couche de diffusion de gaz à base de cuivre qui laisse passer leCO2 et une membrane de séparation. L'électrolyte (ici fourni à l'anode et appelé anolyte) est constitué de composés de potassium dissous et permet aux ions de se déplacer entre les électrodes. La membrane est conçue pour laisser passer les ions chargés négativement et pour bloquer les ions potassium chargés positivement.
Le problème : les cristaux de potassium
Néanmoins, les ions potassium de l'électrolyte traversent la membrane et forment de minuscules cristaux à la cathode, obstruant les pores. "Cela ne devrait pas se produire", explique Flora Haun, doctorante dans l'équipe de Matthew Mayer. Grâce à la microscopie électronique à balayage et à d'autres techniques d'imagerie, les scientifiques ont pu étudier en détail le processus de formation des cristaux à la cathode. "Grâce à l'analyse des rayons X dispersifs en énergie, nous avons pu localiser les éléments individuels et montrer exactement où se formaient les cristaux de potassium", explique Flora Haun.
Les recherches ont montré que plus l'électrolyte contient de potassium, plus la cathode se colmate. Mais il n'y a pas de solution simple : réduire la concentration en potassium est bon d'un côté, mais mauvais de l'autre, car l'équilibre de la réaction est également modifié : au lieu de l'éthylène désiré, c'est du monoxyde de carbone qui est produit.
L'électrolyte est la clé
"L'observation la plus importante est que les cations peuvent encore pénétrer dans la membrane échangeuse d'anions, mais dans une mesure qui dépend de la concentration de l'électrolyte. Et que la concentration de l'électrolyte permet de réguler simultanément les produits formés à partir duCO2", explique le Dr Gumaa El Nagar, chercheur postdoctoral au sein de l'équipe. "Dans l'étape suivante, nous voulons utiliser des mesures operando et in situ à l'aide de rayons X pour découvrir en détail comment la migration des ions dans la cellule affecte les processus de réaction chimique", explique Matthew Mayer.
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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