La combustion du pétrole, du charbon ou du gaz naturel produit du dioxyde de carbone ou CO2. Ce gaz à effet de serre notoire est un des principaux moteurs du réchauffement climatique, mais c’est aussi une matière première. Il est techniquement possible de convertir le CO2 en composés carbonés utiles, un processus qui nécessite de l’énergie, de l’eau, des électrodes adaptées et des catalyseurs spéciaux.
Le CO2 peut être converti électrochimiquement en monoxyde de carbone, formiate ou méthane, mais aussi en éthylène, propanol, acétate et éthanol. Cependant, les processus industriels doivent être conçus pour être hautement sélectifs et extrêmement efficaces pour produire uniquement les produits souhaités et non un mélange de produits.
« En réduisant électrolytiquement le CO2 en hydrocarbures utiles, nous pouvons produire de nouveaux carburants sans utiliser de ressources fossiles. Nous remettons ainsi le CO2 dans le cycle, tout comme le recyclage », explique le Dr Matthew Mayer, chef du Helmholtz Young Investigator Group « Electrochemical Conversion » chez HZB. L’énergie électrique pour l’électrolyse peut être fournie par une énergie renouvelable d’origine éolienne ou solaire, ce qui rend le processus durable.
La cellule à espace nul : un sandwich de plusieurs couches
Depuis l’école, nous savons que l’électrolyse peut se faire dans un simple bécher d’eau ; un autre développement de ceci est la cellule H, qui a la forme de la lettre H. Cependant, de telles cellules ne conviennent pas à un usage industriel. Au lieu de cela, les électrolyseurs industriels sont conçus avec une architecture sandwich composée de plusieurs couches : à droite et à gauche se trouvent les électrodes qui conduisent le courant et sont recouvertes de catalyseurs, une couche de diffusion de gaz à base de cuivre qui laisse entrer le gaz CO2, et une séparation membrane.
L’électrolyte (ici fourni à l’anode et appelé anolyte) est constitué de composés de potassium dissous et permet aux ions de se déplacer entre les électrodes. La membrane est conçue pour laisser passer les ions chargés négativement et pour bloquer les ions potassium chargés positivement.
Le problème : les cristaux de potassium
Néanmoins, les ions potassium de l’électrolyte traversent la membrane et forment de minuscules cristaux à la cathode, obstruant les pores. « Cela ne devrait pas arriver », déclare Flora Haun, titulaire d’un doctorat. étudiant dans l’équipe de Matthew Mayer.
En utilisant la microscopie électronique à balayage et d’autres techniques d’imagerie, les scientifiques ont pu étudier en détail le processus de formation des cristaux à la cathode. « Grâce à l’analyse par rayons X à dispersion d’énergie, nous avons pu localiser les éléments individuels et montrer exactement où se formaient les cristaux de potassium », explique Flora Haun.
Plus l’électrolyte contient de potassium, plus la cathode s’encrasse, ont montré les investigations. Mais il n’y a pas de moyen simple de résoudre le problème : réduire la concentration de potassium est bon d’une part, mais mauvais d’autre part, car l’équilibre de la réaction se déplace également : au lieu de l’éthylène souhaité, du monoxyde de carbone est produit.
L’électrolyte est la clé
« L’observation la plus importante est que les cations peuvent toujours pénétrer dans la membrane échangeuse d’anions, mais dans une mesure qui dépend de la concentration de l’électrolyte. Et qu’avec la concentration de l’électrolyte, nous réglons simultanément les produits qui se forment à partir du CO2 », déclare Dr Gumaa El Nagar, chercheur postdoctoral dans l’équipe.
« Dans la prochaine étape, nous voulons utiliser des mesures operando et in situ à l’aide de rayons X pour découvrir en détail comment la migration des ions dans la cellule affecte les processus de réaction chimique », explique Matthew Mayer.
L’étude est publiée dans la revue Communication Nature.
Plus d’information:
Gumaa A. El-Nagar et al, Le croisement involontaire de cations influence la sélectivité de réduction du CO2 dans les électrolyseurs à intervalle nul à base de Cu, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37520-x