Découverte : Comment transformer le CO2 en carburant liquide

Des chercheurs ont trouvé comment transformer à grande échelle le CO2 en carburant liquide

Avec www.sciencesetavenir.fr le 05.11.2019

Grâce à une “feuille artificielle” qui imite le processus naturel de la photosynthèse, une équipe canadienne a mis au point une méthode de production de carburant à partir de CO2. Si le procédé n’est pas nouveau, leur système, simple et peu coûteux, pourrait être transposable à échelle industrielle.

Chaque jour, l’Homme produit près de 100 millions de barils de pétrole dans le monde, soit plus de 15 milliards de litres. Un chiffre vertigineux, que l’on peine à réduire malgré la raréfaction des énergies fossiles et les signaux d’alerte que nous envoient notre Terre en surchauffe. Au même moment, une autre production de carburant, cette fois capitale à la survie de notre planète, se déroule en silence. La photosynthèse, processus de transformation naturelle du dioxyde de carbone en glucose à partir d’eau et de lumière du Soleil, propre à tous les végétaux, est bien la plus magique des productions d’énergie. C’est pourquoi la science tente de s’en inspirer depuis plusieurs années pour pouvoir un jour fabriquer, à grande échelle, un carburant capable de remplacer de façon viable le pétrole.

Une équipe de chercheurs canadiens de l’Université de Waterloo (Canada) a donc consacré trois années de travail à la mise au point d’une “feuille artificielle” s’appuyant sur le principe de la photosynthèse, avec pour objectif de convertir à moindre coût le dioxyde de carbone (CO2) en un carburant de substitution. Dans un article publié lundi 4 novembre dans la revue Nature Energy, elle décrit ainsi comment elle est parvenue à convertir du CO2 en méthanol en utilisant simplement de l’eau, la lumière du Soleil et un oxyde cuivreux se présentant sous forme de poudre à diluer dans l’eau. 

Une simple poudre à diluer

C’est précisément cette poudre rougeâtre que Yimin Wu, professeur d’ingénierie et auteur principal de l’étude, désigne comme cette feuille artificielle. Créée à partir de la réaction chimique de quatre substances – le glucose, l’acétate de cuivre, l’hydroxyde de sodium et le dodécylsulfate de sodium –, “elle sert de catalyseur ou de déclencheur à la réaction chimique souhaitée”, explique Yimin Wu. “Les végétaux utilisent la lumière du Soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. Notre ‘feuille’ à nous les convertit en méthanol et en oxygène.”

Mélangée à de l’eau dans laquelle du dioxyde de carbone est insufflé, puis exposée à un faisceau de lumière blanche généré par un simulateur solaire, la poudre enclenche alors la réaction de photosynthèse. L’eau est alors chauffée à une certaine température pour que le méthanol s’en évapore. Recueilli, il peut servir de carburant, y compris pour les automobiles.

Une réaction chimique d’une heure est nécessaire pour créer la poudre rouge capitale dans la transformation du dioxyde de carbone en carburant © Université de Waterloo

Selon le chercheur, quiconque produit du CO2 – les usines en tête – pourrait s’approprier ce procédé peu coûteux, même si sa mise en place, elle, nécessitera forcément un certain investissement, notamment au niveau de l’aménagement des infrastructures.

La “feuille artificielle”, un Graal convoité depuis les années 1990

Ces travaux font écho à plusieurs autres feuilles artificielles conçues en laboratoire (lire Sciences et Avenirn°825, novembre 2015). En réalité, les chercheurs américains John Turner et Oscar Khaselev sont parvenus dès la fin des années 1990 à produire de l’hydrogène, un autre carburant, en s’appuyant sur les rouages de la photosynthèse. Ils avaient “tout simplement” eu l’idée de brancher un panneau solaire sur un électrolyseur, soit un appareil capable d’arracher les protons de l’eau et de les recombiner ensuite sous forme d’hydrogène sous l’impulsion d’un courant électrique. Toutefois, le procédé, contraignant, requérait l’utilisation de métaux lourds et ne fonctionnait qu’une journée. 

Qu’à cela ne tienne : en 2011, une autre équipe américaine, cette fois du MIT (Massachusetts), avait mis au point une mince feuille faite de silicium capable de capter la lumière et recouverte de catalyseurs bon marché. Grâce à elle, l’obtention d’hydrogène par réaction chimique était possible avec de la simple eau du robinet et pouvait se prolonger sur plusieurs mois. En octobre 2019, ce sont enfin des chercheurs de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, qui ont présenté dans la revue Nature Materials leur feuille artificielle capable, elle, de produire un gaz de synthèse à base d’hydrogène et de monoxyde de carbone.

Pas d’électricité requise

“Mais notre méthode ne requiert aucunement l’utilisation d’électricité. En plus de son faible coût, elle a d’ailleurs deux autres avantages majeurs : elle sera plus simple [que les autres] à mettre en place à une échelle industrielle”, détaille Yimin Wu. “Et elle s’affranchit d’une conversion intermédiaire lors de la transformation CO2 en carburant. Celle-ci est directe.”

Aujourd’hui, leur feuille artificielle faite d’oxyde de cuivre permet de produire du méthanol avec un rendement d’environ 10 %. Sous forme de carburant liquide exploitable dans le transport, il est aussi une matière première importante dans le secteur pétrochimique, notamment dans la fabrication de plastiques et de fibres. Reste maintenant une étape capitale, et sans doute plus compliquée encore que la phase de recherche : nouer des partenariats avec les industriels.

Pouvoir produire du gaz de synthèse de manière durable serait une étape cruciale dans la fermeture du cycle mondial du carbone et l’établissement d’une industrie chimique et énergétique durable.

Erwin Reisner

traduit de l’anglais – source : www.cam.ac.uk – 21/10/19

Un gaz largement utilisé qui est actuellement produit à partir de combustibles fossiles peut être produit par une ” feuille artificielle ” qui n’utilise que la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau, et qui pourrait éventuellement être utilisé pour développer un combustible liquide durable de remplacement de l’essence.

Cet appareil neutre en carbone établit une nouvelle référence dans le domaine des combustibles solaires, après que des chercheurs de l’Université de Cambridge aient démontré qu’il peut produire directement le gaz – appelé gaz de synthèse – d’une manière simple et durable.

Plutôt que de fonctionner aux combustibles fossiles, la feuille artificielle est alimentée par la lumière du soleil, bien qu’elle fonctionne encore efficacement par temps nuageux et couvert. Et contrairement aux procédés industriels actuels de production de gaz de synthèse, la feuille ne libère pas de dioxyde de carbone supplémentaire dans l’atmosphère. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.

Le gaz de synthèse est actuellement fabriqué à partir d’un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone et est utilisé pour produire toute une série de produits de base, tels que des carburants, des produits pharmaceutiques, des plastiques et des engrais.

“Vous n’avez peut-être pas entendu parler du gaz de synthèse en soi, mais chaque jour, vous consommez des produits qui ont été créés en l’utilisant. Pouvoir le produire de manière durable serait une étape cruciale dans la fermeture du cycle mondial du carbone et l’établissement d’une industrie chimique et énergétique durable “, a déclaré le professeur Erwin Reisner du département de chimie de Cambridge, qui a consacré sept ans à la réalisation de cet objectif.

L’appareil produit par Reisner et ses collègues s’inspire de la photosynthèse – le processus naturel par lequel les plantes utilisent l’énergie de la lumière solaire pour transformer le dioxyde de carbone en nourriture.

Sur la feuille artificielle, deux absorbeurs de lumière, semblables aux molécules des plantes qui récoltent la lumière du soleil, sont combinés avec un catalyseur fabriqué à partir de l’élément cobalt naturellement abondant.

Lorsque l’appareil est immergé dans l’eau, un absorbeur de lumière utilise le catalyseur pour produire de l’oxygène. L’autre effectue la réaction chimique qui réduit le dioxyde de carbone et l’eau en monoxyde de carbone et en hydrogène, formant le mélange de gaz de synthèse.

En prime, les chercheurs ont découvert que leurs absorbeurs de lumière fonctionnent même sous un faible ensoleillement par temps de pluie ou de ciel couvert.

“Cela signifie que vous n’êtes pas limité à l’utilisation de cette technologie uniquement dans les pays chauds, ou seulement pendant les mois d’été”, a déclaré Virgil Andrei, doctorant et premier auteur de l’article. “Vous pourriez l’utiliser de l’aube au crépuscule, n’importe où dans le monde.”

La recherche a été effectuée dans le laboratoire Christian Doppler pour la chimie durable du SynGas au sein du département de chimie de l’Université. Il a été cofinancé par le gouvernement autrichien et l’entreprise pétrochimique autrichienne OMV, qui cherche des moyens de rendre son activité plus durable.

“OMV est un fervent partisan du laboratoire Christian Doppler depuis sept ans. La recherche fondamentale de l’équipe pour produire du gaz de synthèse comme base d’un carburant liquide neutre en carbone est révolutionnaire “, a déclaré Michael-Dieter Ulbrich, conseiller principal chez OMV.

D’autres dispositifs à ” feuilles artificielles ” ont également été mis au point, mais ils ne produisent généralement que de l’hydrogène. Les chercheurs de Cambridge affirment que la raison pour laquelle ils ont été en mesure de produire du gaz de synthèse de manière durable est grâce à la combinaison de matériaux et de catalyseurs qu’ils ont utilisés.

Il s’agit notamment d’absorbeurs de lumière de perovskite de pointe, qui fournissent une tension et un courant électrique élevés pour alimenter la réaction chimique par laquelle le dioxyde de carbone est réduit en monoxyde de carbone, en comparaison avec les absorbeurs de lumière faits de silicium ou de matériaux sensibles aux colorants. Les chercheurs ont également utilisé le cobalt comme catalyseur moléculaire au lieu du platine ou de l’argent. Le cobalt est non seulement moins coûteux, mais il est aussi plus efficace pour produire du monoxyde de carbone que d’autres catalyseurs.

L’équipe cherche maintenant des moyens d’utiliser sa technologie pour produire un carburant liquide durable de remplacement de l’essence.

Le gaz de synthèse est déjà utilisé comme élément constitutif dans la production de combustibles liquides. “Ce que nous aimerions faire ensuite, au lieu de produire d’abord du gaz de synthèse et de le convertir ensuite en combustible liquide, c’est de fabriquer le combustible liquide en une seule étape à partir de dioxyde de carbone et d’eau “, a déclaré M. Reisner, qui est également Fellow du St John’s College.

Bien que de grands progrès soient réalisés dans la production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et photovoltaïque, M. Reisner affirme que le développement du pétrole synthétique est vital, car l’électricité ne peut actuellement satisfaire qu’environ 25% de notre demande énergétique mondiale totale. “Il existe une forte demande de combustibles liquides pour alimenter durablement les transports lourds, le transport maritime et l’aviation “, a-t-il déclaré.

“Nous visons à créer de manière durable des produits tels que l’éthanol, qui peuvent facilement être utilisés comme carburant “, a déclaré Andrei. “Il est difficile de le produire en une seule étape à partir de la lumière du soleil en utilisant la réaction de réduction du dioxyde de carbone. Mais nous sommes convaincus que nous allons dans la bonne direction et que nous avons les bons catalyseurs. Nous croyons donc que nous serons en mesure de produire un appareil qui pourra démontrer ce processus dans un proche avenir.”

La recherche a également été financée par le Winton Programme for the Physics of Sustainability, le Biotechnology and Biological Sciences Research Council et le Engineering and Physical Sciences Research Council.

Reference:
Virgil Andrei , Bertrand Reuillard and Erwin Reisner. ‘Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite-BiVOtandems.’ Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0501-6

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