Un minéral du sol très répandu, l'oxyhydroxyde de fer(III) α, s'est révélé être un catalyseur recyclable pour la photoréduction du dioxyde de carbone en acide formique. Crédit : Prof. Kazuhiko Maeda
La photoréduction du CO2 en carburants transportables tels que l'acide formique (HCOOH) est un moyen efficace de lutter contre l'augmentation des niveaux de CO2 dans l'atmosphère. Pour contribuer à cette tâche, une équipe de recherche de l'Institut de technologie de Tokyo a sélectionné un minéral à base de fer facilement disponible et l'a déposé sur un support d'alumine afin de développer un catalyseur capable de convertir efficacement le CO2 en HCOOH, avec une sélectivité d'environ 90 % !
Les véhicules électriques sont une option attrayante pour de nombreuses personnes, notamment parce qu'ils n'émettent pas de carbone. Cependant, leur faible autonomie et les longs temps de recharge constituent un inconvénient majeur pour beaucoup. C'est là que les carburants liquides comme l'essence présentent un avantage considérable : leur haute densité énergétique permet une grande autonomie et un ravitaillement rapide.
Le passage de l'essence ou du diesel à un autre carburant liquide permet d'éliminer les émissions de carbone tout en conservant les avantages des carburants liquides. Dans une pile à combustible, par exemple, l'acide formique peut alimenter un moteur tout en rejetant de l'eau et du dioxyde de carbone. Cependant, si l'acide formique est produit par réduction du CO2 atmosphérique en HCOOH, le seul rejet net est alors de l'eau.
L’augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans notre atmosphère et leur contribution au réchauffement climatique font désormais régulièrement la une des journaux. Alors que les chercheurs expérimentaient différentes approches pour résoudre ce problème, une solution efficace a émergé : transformer l’excès de dioxyde de carbone dans l’atmosphère en produits chimiques riches en énergie.
La production de carburants tels que l'acide formique (HCOOH) par photoréduction du CO2 à l'aide de la lumière solaire a suscité un vif intérêt ces derniers temps, car ce procédé présente un double avantage : il réduit les émissions excédentaires de CO2 et contribue à atténuer la pénurie d'énergie actuelle. Excellent vecteur d'hydrogène à haute densité énergétique, l'acide formique peut fournir de l'énergie par combustion en ne rejetant que de l'eau comme sous-produit.
Pour concrétiser cette solution prometteuse, les scientifiques ont mis au point des systèmes photocatalytiques qui réduisent le dioxyde de carbone grâce à la lumière solaire. Ce système se compose d'un substrat absorbant la lumière (un photosensibilisateur) et d'un catalyseur permettant le transfert multiple d'électrons nécessaire à la réduction du CO₂ en HCOOH. C'est ainsi qu'a débuté la recherche de catalyseurs adaptés et efficaces !
Infographie sur la réduction photocatalytique du dioxyde de carbone à l'aide de composés couramment utilisés. Crédit : Professeur Kazuhiko Maeda
En raison de leur efficacité et de leur recyclabilité potentielle, les catalyseurs solides sont considérés comme les meilleurs candidats pour cette tâche, et au fil des années, les capacités catalytiques de nombreux réseaux métallo-organiques (MOF) à base de cobalt, de manganèse, de nickel et de fer ont été explorées, parmi lesquels ce dernier présente certains avantages par rapport à d'autres métaux. Cependant, la plupart des catalyseurs à base de fer rapportés jusqu'à présent ne produisent que du monoxyde de carbone comme produit principal, et non de l'acide formique (HCOOH).
Ce problème a toutefois été rapidement résolu par une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), dirigée par le professeur Kazuhiko Maeda. Dans une étude récente publiée dans la revue de chimie Angewandte Chemie, l'équipe a mis au point un catalyseur à base de fer supporté sur alumine (Al₂O₃) utilisant l'oxyhydroxyde de fer(III) α (α-FeOₓOH ; goethite). Ce nouveau catalyseur α-FeOₓOH/Al₂O₃ présente d'excellentes performances de conversion du CO₂ en HCOOH et une excellente recyclabilité. Interrogé sur le choix de ce catalyseur, le professeur Maeda a déclaré : « Nous cherchions à explorer des éléments plus abondants comme catalyseurs dans les systèmes de photoréduction du CO₂. Nous avions besoin d'un catalyseur solide, actif, recyclable, non toxique et peu coûteux. C'est pourquoi nous avons choisi des minéraux du sol très répandus comme la goethite pour nos expériences. »
L'équipe a utilisé une méthode d'imprégnation simple pour synthétiser son catalyseur. Ils ont ensuite utilisé des matériaux Al2O3 supportés par du fer pour réduire photocatalytiquement le CO2 à température ambiante en présence d'un photosensibilisateur à base de ruthénium (Ru), d'un donneur d'électrons et de lumière visible avec des longueurs d'onde supérieures à 400 nanomètres.
Les résultats sont très encourageants. La sélectivité de leur système pour le produit principal HCOOH était de 80 à 90 % avec un rendement quantique de 4,3 % (indiquant l'efficacité du système).
Cette étude présente un catalyseur solide à base de fer, une première en son genre, capable de générer du HCOOH lorsqu'il est associé à un photosensibilisateur efficace. Elle aborde également l'importance d'un support approprié (Al2O3) et son effet sur la réaction de réduction photochimique.
Les résultats de cette recherche pourraient contribuer au développement de nouveaux catalyseurs sans métaux nobles pour la photoréduction du dioxyde de carbone en d'autres composés chimiques utiles. « Nos recherches montrent que la voie vers une économie d'énergie verte n'est pas complexe. Même des méthodes de préparation de catalyseurs simples peuvent donner d'excellents résultats, et il est bien connu que des composés abondants sur Terre, supportés par des matériaux tels que l'alumine, peuvent être utilisés comme catalyseurs sélectifs pour la réduction du CO₂ », conclut le professeur Maeda.
Références : « Oxyhydroxyde d'alpha-fer (III) supporté par alumine en tant que catalyseur solide recyclable pour la photoréduction du CO2 sous lumière visible » par Daehyeon An, Dr Shunta Nishioka, Dr Shuhei Yasuda, Dr Tomoki Kanazawa, Dr Yoshinobu Kamakura, Prof .. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 mai 2022, Angewandte Chemie.DOI : 10.1002 / anie.202204948
« C’est là que les carburants liquides comme l’essence présentent un avantage considérable. Leur densité énergétique élevée permet une grande autonomie et un ravitaillement rapide. »
Et si on parlait chiffres ? Comment la densité énergétique de l’acide formique se compare-t-elle à celle de l’essence ? Avec un seul atome de carbone dans sa formule chimique, je doute qu’elle puisse même s’en approcher.
De plus, son odeur est très toxique et, étant un acide, il est plus corrosif que l'essence. Ce ne sont pas des problèmes d'ingénierie insolubles, mais à moins que l'acide formique n'offre des avantages significatifs en termes d'augmentation de l'autonomie et de réduction du temps de recharge de la batterie, cela ne vaut probablement pas la peine.
S’ils prévoyaient d’extraire la goethite du sol, il s’agirait d’une opération minière énergivore et potentiellement dommageable pour l’environnement.
Ils pourraient mentionner la présence importante de goethite dans le sol, car je soupçonne qu'il faudrait davantage d'énergie pour obtenir les matières premières nécessaires et les faire réagir afin de synthétiser la goethite.
Il est nécessaire d'examiner le cycle de vie complet du processus et de calculer le coût énergétique de chaque étape. La NASA n'a constaté aucun lancement gratuit. Il est important que d'autres en tiennent compte.
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