Un nouveau catalyseur résistant aux contaminants pourrait aider à capturer le carbone directement des cheminées

Un catalyseur nouvellement conçu, créé par des chercheurs en ingénierie de l’Université de Toronto, convertit efficacement le carbone capturé en produits de valeur, même en présence d’un contaminant qui dégrade les performances des versions actuelles.

Cette découverte constitue une étape importante vers des techniques de capture et de stockage du carbone plus avantageuses économiquement, qui pourraient être ajoutées aux processus industriels existants.

« Aujourd’hui, nous disposons de plus d’options et de meilleures options pour la production d’électricité à faible émission de carbone que jamais auparavant », déclare le professeur David Sinton, auteur principal d’un article publié dans Énergie naturelle qui décrit le nouveau catalyseur.

« Mais d’autres secteurs de l’économie seront plus difficiles à décarboner : par exemple, la production d’acier et de ciment. Pour aider ces industries, nous devons inventer des moyens rentables de capter et de valoriser le carbone contenu dans leurs flux de déchets. »

Sinton et son équipe utilisent des appareils appelés électrolyseurs pour convertir le CO₂ et de l’électricité dans des produits tels que l’éthylène et l’éthanol. Ces molécules à base de carbone peuvent être vendues comme carburants ou utilisées comme matières premières chimiques pour la fabrication d’objets du quotidien tels que le plastique.

À l’intérieur de l’électrolyseur, la réaction de conversion se produit lorsque trois éléments : le CO₂ un gaz, des électrons et un électrolyte liquide à base d’eau se réunissent à la surface d’un catalyseur solide.

Le catalyseur est souvent composé de cuivre, mais il peut également contenir d’autres métaux ou composés organiques qui peuvent encore améliorer le système. Sa fonction est d’accélérer la réaction et de minimiser la création de produits secondaires indésirables, tels que l’hydrogène gazeux, qui réduisent l’efficacité du processus global.

Bien que de nombreuses équipes à travers le monde aient produit des catalyseurs très performants, presque tous sont conçus pour fonctionner avec un CO pur.₂ Mais si le carbone en question provient des cheminées industrielles, il est fort probable que la matière première soit tout sauf pure.

« Les concepteurs de catalyseurs n’aiment généralement pas travailler avec des impuretés, et pour une bonne raison », explique Panos Papangelakis, doctorant en génie mécanique et l’un des cinq co-auteurs principaux du nouvel article.

« Les oxydes de soufre, tels que le SO₂empoisonnent le catalyseur en se liant à la surface. Cela laisse moins de sites pour le CO₂ de réagir, et cela provoque également la formation de produits chimiques indésirables.

« Cela se produit très rapidement : alors que certains catalyseurs peuvent durer des centaines d’heures avec une charge pure, si vous introduisez ces impuretés, en quelques minutes, leur efficacité peut être réduite à 5 %. »

Bien qu’il existe des méthodes bien établies pour éliminer les impuretés du CO₂-les gaz d’échappement riches avant de les introduire dans l’électrolyseur, ils prennent du temps, nécessitent de l’énergie et augmentent le coût de la capture et de la valorisation du carbone. De plus, dans le cas du SO₂même un petit peu peut être un gros problème.

« Même si vous réduisez vos gaz d’échappement à moins de 10 parties par million, soit 0,001 % de la charge, le catalyseur peut toujours être empoisonné en moins de 2 heures », explique Papangelakis.

Dans l’article, l’équipe décrit comment elle a conçu un catalyseur plus résilient qui pourrait résister au SO₂ en apportant deux modifications clés à un catalyseur à base de cuivre typique.

D’un côté, ils ont ajouté une fine couche de polytétrafluoroéthylène, également connu sous le nom de Téflon. Ce matériau antiadhésif modifie la chimie à la surface du catalyseur, empêchant les réactions qui permettent la formation de SO₂ un empoisonnement aura lieu.

De l’autre côté, ils ont ajouté une couche de Nafion, un polymère conducteur d’électricité souvent utilisé dans les piles à combustible. Ce matériau poreux complexe contient des zones hydrophiles, c’est-à-dire qu’elles attirent l’eau, ainsi que d’autres zones hydrophobes, c’est-à-dire qu’elles repoussent l’eau. Cette structure rend difficile la₂ pour atteindre la surface du catalyseur.

L’équipe a ensuite alimenté ce catalyseur avec un mélange de CO₂ et ainsi₂ce dernier ayant une concentration d’environ 400 parties par million, ce qui est typique d’un flux de déchets industriels. Même dans ces conditions difficiles, le nouveau catalyseur s’est bien comporté.

« Dans l’article, nous signalons une efficacité Faraday (une mesure du nombre d’électrons qui se retrouvent dans les produits souhaités) de 50 %, que nous avons pu maintenir pendant 150 heures », explique Papangelakis.

« Il existe des catalyseurs qui pourraient démarrer avec une efficacité plus élevée, peut-être 75 % ou 80 %. Mais encore une fois, si vous les exposez au SO₂en quelques minutes ou au plus quelques heures, cela tombe à presque rien. Nous avons pu résister à cela.

Selon Papangelakis, l’approche de son équipe n’ayant aucune incidence sur la composition du catalyseur lui-même, elle devrait pouvoir être appliquée à grande échelle. En d’autres termes, les équipes qui ont déjà mis au point des catalyseurs à hautes performances devraient pouvoir utiliser des revêtements similaires pour conférer une résistance à l’empoisonnement par l’oxyde de soufre.

Bien que les oxydes de soufre soient l’impureté la plus difficile à éliminer dans les flux de déchets classiques, ils ne sont pas les seuls et c’est à l’ensemble des contaminants chimiques que l’équipe se tourne ensuite.

« Il y a beaucoup d’autres impuretés à prendre en compte, comme les oxydes d’azote, l’oxygène, etc. », explique Papangelakis.

« Mais le fait que cette approche fonctionne si bien pour les oxydes de soufre est très prometteur. Avant ces travaux, on tenait pour acquis qu’il fallait éliminer les impuretés avant de valoriser le CO₂. Ce que nous avons montré, c’est qu’il pourrait y avoir une manière différente de les gérer, ce qui ouvre de nombreuses nouvelles possibilités.