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Le dioxyde de carbone (CO2) est à la fois une ressource essentielle à la vie sur Terre et un gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique. Aujourd'hui, les scientifiques étudient le dioxyde de carbone comme une ressource prometteuse pour la production de carburants renouvelables à faible teneur en carbone et de produits chimiques à haute valeur ajoutée.
Le défi pour les chercheurs est d'identifier des moyens efficaces et rentables de convertir le dioxyde de carbone en intermédiaires carbonés de haute qualité tels que le monoxyde de carbone, le méthanol ou l'acide formique.
Une équipe de recherche dirigée par K.K. Neuerlin du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), en collaboration avec les laboratoires nationaux d'Argonne et d'Oak Ridge, a trouvé une solution prometteuse à ce problème. L'équipe a mis au point une méthode de conversion permettant de produire de l'acide formique à partir de dioxyde de carbone grâce à de l'électricité renouvelable, avec une efficacité énergétique et une durabilité élevées.
L’étude, intitulée « Architecture d’assemblage d’électrodes à membrane évolutive pour une conversion électrochimique efficace du dioxyde de carbone en acide formique », a été publiée dans la revue Nature Communications.
L'acide formique est un intermédiaire chimique potentiel aux applications très diverses, notamment comme matière première dans les industries chimiques et biologiques. Il a également été identifié comme matière première pour le bioraffinage en carburant d'aviation propre.
L'électrolyse du CO2 entraîne la réduction du CO2 en intermédiaires chimiques tels que l'acide formique ou en molécules telles que l'éthylène lorsqu'un potentiel électrique est appliqué à la cellule électrolytique.
L'ensemble membrane-électrode (MEA) d'un électrolyseur est généralement constitué d'une membrane conductrice d'ions (membrane échangeuse de cations ou d'anions) prise en sandwich entre deux électrodes constituées d'un électrocatalyseur et d'un polymère conducteur d'ions.
S'appuyant sur l'expertise de l'équipe en matière de technologies de piles à combustible et d'électrolyse de l'hydrogène, ils ont étudié plusieurs configurations MEA dans des cellules électrolytiques afin de comparer la réduction électrochimique du CO2 en acide formique.
En se basant sur l'analyse des défaillances de différentes conceptions, l'équipe a cherché à exploiter les limitations des ensembles de matériaux existants, en particulier le manque de rejet d'ions dans les membranes échangeuses d'anions actuelles, et à simplifier la conception globale du système.
L'invention de KS Neierlin et Leiming Hu du NREL consiste en un électrolyseur MEA amélioré utilisant une nouvelle membrane échangeuse de cations perforée. Cette membrane perforée assure une production d'acide formique constante et hautement sélective, et simplifie la conception grâce à l'utilisation de composants disponibles dans le commerce.
« Les résultats de cette étude représentent un changement de paradigme dans la production électrochimique d'acides organiques tels que l'acide formique », a déclaré Neierlin, co-auteur de l'étude. « La structure de membrane perforée simplifie les conceptions précédentes et peut également servir à améliorer l'efficacité énergétique et la durabilité d'autres dispositifs de conversion électrochimique du dioxyde de carbone. »
Comme pour toute avancée scientifique majeure, il est essentiel d'en comprendre les coûts et la faisabilité économique. En collaboration interdépartementale, les chercheurs du NREL, Zhe Huang et Tao Ling, ont présenté une analyse technico-économique identifiant des moyens d'atteindre la parité des coûts avec les procédés industriels actuels de production d'acide formique lorsque le coût de l'électricité renouvelable est égal ou inférieur à 2,3 centimes par kilowattheure.
« L’équipe a obtenu ces résultats en utilisant des catalyseurs et des matériaux de membrane polymère disponibles dans le commerce, tout en créant une conception d’MEA qui tire parti de l’évolutivité des piles à combustible modernes et des installations d’électrolyse de l’hydrogène », a déclaré Neierlin.
« Les résultats de cette recherche pourraient contribuer à convertir le dioxyde de carbone en carburants et en produits chimiques à l’aide d’électricité renouvelable et d’hydrogène, accélérant ainsi la transition vers une production à grande échelle et une commercialisation. »
Les technologies de conversion électrochimique sont un élément central du programme « Électrons en molécules » du NREL, qui se concentre sur l’hydrogène renouvelable de nouvelle génération, les carburants zéro, les produits chimiques et les matériaux pour les procédés à entraînement électrique.
« Notre programme explore des moyens d'utiliser l'électricité renouvelable pour convertir des molécules telles que le dioxyde de carbone et l'eau en composés pouvant servir de sources d'énergie », a déclaré Randy Cortright, directeur de la stratégie de transfert d'électrons et/ou de précurseurs du NREL pour la production de carburants ou de produits chimiques.
« Ces recherches sur la conversion électrochimique constituent une avancée majeure qui peut être utilisée dans toute une gamme de procédés de conversion électrochimique, et nous attendons avec intérêt des résultats encore plus prometteurs de la part de ce groupe. »
Informations complémentaires : Leiming Hu et al., « Scalable membrane electrode assembly architecture for efficient electrochemical conversion of CO2 to formic acid », Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43409-6
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