Un meilleur modèle pour convertir le dioxyde de carbone en carburants et produits

Certaines régions du monde ont si bien réussi à produire de l’électricité renouvelable à moindre coût que nous en avons parfois trop. Une utilisation possible de cette énergie à faible coût : convertir le dioxyde de carbone en carburant et en d’autres produits à l’aide d’un dispositif appelé assemblage membrane-électrode.

Une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie à Berkeley ont développé une nouvelle approche pour comprendre cette technologie prometteuse via la modélisation physique. L'article, publié dans la revue Génie chimique naturelpourrait aider les scientifiques à apprendre comment améliorer l’efficacité de l’assemblage membrane-électrode.

Le dioxyde de carbone peut être transformé en matières premières précieuses telles que le monoxyde de carbone et l'éthylène, que les fabricants utilisent pour fabriquer des produits, notamment des produits chimiques et des emballages. Une façon d’y parvenir consiste à utiliser des assemblages membrane-électrode, qui sont des dispositifs constitués de deux électrodes séparées par une membrane.

Également utilisés dans les piles à combustible qui transforment des intrants comme l'hydrogène en électricité, les assemblages membrane-électrode sont prometteurs car ils peuvent utiliser le surplus d'énergie renouvelable pour exécuter des séquences de réactions qui catalysent le dioxyde de carbone en d'autres produits chimiques. Mais ces dispositifs ont des problèmes d’efficacité et leur fonctionnement n’est pas encore entièrement compris.

“Les assemblages membrane-électrode sont des systèmes complexes comportant plusieurs couches. Chaque couche contient différentes espèces chimiques, additifs et particules”, a déclaré Adam Weber, scientifique principal au Berkeley Lab et auteur correspondant de l'étude.

“Souvent, nous ne savons pas vraiment pourquoi les expériences avec des assemblages membrane-électrode produisent certains produits, ou pourquoi elles ne parviennent pas à convertir un pourcentage plus élevé d'une quantité donnée de dioxyde de carbone.”

La modélisation informatique peut aider à prédire quels paramètres de l'appareil produiront les meilleurs résultats, mais elle a tendance à être moins précise pour anticiper des problèmes tels que le croisement, c'est-à-dire lorsque le dioxyde de carbone traverse la membrane au lieu de réagir. Pour améliorer la précision du modèle, les chercheurs se sont tournés vers la cinétique Marcus-Hush-Chidsey, une théorie qui n'avait pas été intégrée auparavant dans la modélisation de l'assemblage membrane-électrode et qui s'avère essentielle pour comprendre le mécanisme de réaction.

Les chercheurs ont validé leur modèle par rapport à des données expérimentales et ont constaté qu’il prédisait mieux les résultats réels que les modèles précédents. Entre autres avantages, l’utilisation de la cinétique Marcus – Hush – Chidsey a permis de prendre en compte le rôle de l’orientation de l’eau.

L’équipe a ensuite mené des expériences virtuelles avec son modèle pour explorer les performances de différentes conceptions d’assemblages membrane-électrode en termes d’utilisation du dioxyde de carbone et de sélectivité pour les produits souhaités. “Grâce à ce travail, nous avons montré comment tirer parti des principes du génie chimique pour ces technologies avancées qui sont mises en ligne”, a-t-il déclaré. “Cela nous donne des informations et des idées pour optimiser ces conceptions et matériaux de cellules afin que nous puissions aller de l'avant et les fabriquer.”

Certaines des variables testées virtuellement par l’équipe comprenaient l’épaisseur de la couche de catalyseur et la surface spécifique du catalyseur. Ils ont également découvert des règles de conception autour de l’importance du transport couplé des ions et de l’eau, ainsi que des compromis entre les phénomènes de transport et la cinétique de réaction et de tampon. Tous ces éléments modifient l’efficacité énergétique globale, les produits obtenus et la quantité de dioxyde de carbone convertie.

“Avoir un jumeau numérique d'un système vous permet de sonder un espace de paramètres beaucoup plus grand, beaucoup plus rapidement que dans les expériences, qui sont généralement complexes et nécessitent un équipement spécial”, a déclaré Weber, ajoutant : “Nous ne pouvons pas voir où se trouve chaque molécule. une expérience. Mais dans un modèle, nous pouvons.

Weber a déclaré que la prochaine étape de la recherche consisterait à accroître la complexité du modèle afin de pouvoir examiner les performances sur la durée de vie d'un ensemble membrane-électrode, entre autres variables.