Le tandem cobalt-cuivre réussit la conversion du dioxyde de carbone en éthanol
La durabilité au cœur de la recherche chimique
La libération continue de dioxyde de carbone dans l'atmosphère contribue de manière décisive au réchauffement global et au changement climatique avec une augmentation des phénomènes météorologiques extrêmes. Des scientifiques de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) viennent de présenter un procédé permettant de convertir efficacement le dioxyde de carbone en éthanol, qui sera ensuite disponible comme matière première durable pour des applications chimiques. "Nous pouvons extraire le gaz à effet de serre CO₂ de l'environnement et le réintroduire dans un cycle durable du carbone", explique le professeur Carsten Streb du département de chimie de la JGU. Son groupe de travail a montré comment le dioxyde de carbone peut être transformé en éthanol par électrocatalyse. En utilisant de l'électricité verte, le processus serait en outre durable et les plantes alimentaires qui servent aujourd'hui à produire de l'éthanol pour les carburants seraient à nouveau disponibles pour l'alimentation. Selon Carsten Streb, la transformation, qui a été réalisée jusqu'à présent à l'échelle du laboratoire, pourrait également être mise en œuvre à plus grande échelle. Les résultats de cette recherche viennent d'être publiés par la revue spécialisée ACS Catalysis.
Un tandem idéal provoque une conversion électrocatalytique sélective
La conversion électrochimique du CO₂ en produits multicarbone, comme l'éthanol par exemple, serait un moyen idéal d'obtenir des carburants à haute densité énergétique et des matières premières chimiques précieuses, tout en utilisant le CO₂ comme matière première et en le retirant ainsi dans une certaine mesure de l'atmosphère. "Pour cela, nous avons besoin de catalyseurs appropriés qui réalisent cette transformation avec une grande sélectivité, de sorte que nous obtenions un rendement élevé du produit souhaité, dans notre cas l'éthanol", explique Carsten Streb.
Dans ce but, son groupe de recherche a conçu une électrode spéciale sur laquelle se déroulent les réactions chimiques. Elle est recouverte d'une poudre noire contenant du cobalt et du cuivre en quantités précisément dosées. Les deux métaux doivent en outre être placés à des distances très précises sur l'électrode. "Le défi consiste d'abord à faire réagir le dioxyde de carbone. Il y a des liaisons très fortes entre les atomes de la molécule, mais le cobalt peut briser ces liaisons", explique Streb. Il en résulte d'abord du monoxyde de carbone, ce qui n'est pas une matière première idéale pour l'industrie chimique. C'est pourquoi, dans un deuxième temps, le cuivre intervient pour réaliser la réaction en éthanol. "Mais cela ne fonctionne que si le cobalt et le cuivre sont proches l'un de l'autre sur l'électrode", remarque le chimiste à propos du véritable tour de force qui a permis le succès.
Des valeurs de pointe en matière de sélectivité doivent encore être améliorées
La sélectivité du procédé est de 80 pour cent, ce qui signifie que 80 pour cent de la matière première est transformée en éthanol - le meilleur résultat obtenu jusqu'à présent dans la recherche. Le Dr Soressa Abera Chala a joué un rôle déterminant dans l'optimisation des résultats. Il est le premier auteur de la publication et est venu d'Éthiopie à Mayence en tant que chercheur postdoctoral grâce à une bourse de recherche Humboldt. Deux co-auteurs, le Dr Rongji Liu et le Dr Ekemena Oseghe, travaillent également dans le domaine de travail de Streb en tant que boursiers de la Fondation Alexander von Humboldt. Actuellement, le groupe s'efforce d'augmenter encore le rendement pour atteindre 90 à 95 pour cent. Il serait souhaitable qu'un catalyseur atteigne une sélectivité de 100 pour cent, de sorte qu'il n'y ait plus d'autres substances, mais seulement de l'éthanol à la fin.
Coopération dans le cadre du domaine de recherche spécial/transregio "CataLight".
Cela dépend aussi de la conduite du processus, mais surtout de la charge de l'électrode en cobalt et en cuivre. "Il faut pouvoir voir les atomes individuels. Cela n'est possible qu'avec un microscope électronique spécial", explique Streb. Les chimistes de Mayence coopèrent à cet effet avec l'université d'Ulm dans le cadre du domaine de recherche spécial/transregio 234 "CataLight". Au final, le catalyseur ne doit pas seulement être efficace, mais aussi fonctionner le mieux possible le plus longtemps possible. La stabilité du système, comme l'ont montré les recherches, est excellente et n'enregistre aucune perte de performance même après plusieurs mois.
Enfin, un autre aspect qui caractérise le tandem cobalt-cuivre et qui constitue un aspect majeur dans le choix des métaux entre en jeu : Ils sont disponibles en abondance sur la Terre. L'ensemble du procédé pourrait également être mis en place avec des métaux précieux comme le platine ou le palladium, mais à un prix élevé qui n'offre aucune perspective industrielle.
La production durable d'éthanol préserve les ressources alimentaires et fournit une nouvelle énergie
"En utilisant des matières premières disponibles dans le monde entier comme catalyseurs, nous suivons une approche de la recherche actuelle qui consiste à s'intéresser de plus en plus aux métaux non précieux", explique Carsten Streb. Ainsi, ce procédé permettrait à l'avenir de produire de l'éthanol de manière durable à partir d'électricité verte et de dioxyde de carbone - par exemple à partir de centrales électriques. De grandes quantités d'éthanol sont actuellement produites, entre autres au Brésil, à partir de la canne à sucre ou du maïs, ce qui fait que ces cultures alimentaires ne sont plus disponibles pour la population. Le procédé présenté ouvrirait donc une voie nouvelle et durable pour la production d'éthanol, qui pourrait être stocké et, si nécessaire, utilisé de manière décentralisée pour la production d'électricité.
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 Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Soressa Abera Chala, Rongji Liu, Ekemena O. Oseghe, Simon T. Clausing, Christopher Kampf, Joachim Bansmann, Adam H. Clark, Yazhou Zhou, Ingo Lieberwirth, Johannes Biskupek, Ute Kaiser, Carsten Streb; "Selective Electroreduction of CO2 to Ethanol via Cobalt–Copper Tandem Catalysts"; ACS Catalysis, 2024-10-5
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