Le laboratoire du spécialiste des matériaux Pulickel Ajayan de l’Université Rice et ses collaborateurs ont développé un moyen d’extraire le carbone du dioxyde de carbone et de le fixer aux atomes d’hydrogène, formant ainsi du méthane – un carburant précieux et une matière première industrielle. Selon l’étude publiée dans Matériaux avancésla méthode s’appuie sur l’électrolyse et des catalyseurs développés par greffage d’atomes de cuivre isolés sur des gabarits polymères bidimensionnels.

“La conversion du dioxyde de carbone par l’électricité peut produire une large gamme de combustibles et de matières premières industrielles par différentes voies”, a déclaré Soumyabrata Roy, chercheur scientifique au laboratoire d’Ajayan et auteur principal de l’étude. “Cependant, la conversion du dioxyde de carbone en méthane implique une voie en huit étapes qui soulève des défis importants pour une production sélective et économe en énergie de méthane.

“Surmonter ces problèmes peut aider à fermer le cycle artificiel du carbone à des échelles significatives, et le développement de catalyseurs efficaces et abordables est une étape clé vers la réalisation de cet objectif.”

Les modèles polymères, constitués d’une alternance d’atomes de carbone et d’azote, comportent de minuscules pores dans lesquels les atomes de cuivre peuvent s’insérer à différentes distances les uns des autres. Les catalyseurs s’assemblent à température ambiante dans l’eau, les atomes de cuivre déplaçant les ions métalliques hôtes dans les modèles polymères. Lorsqu’ils ont été testés dans un réacteur, les catalyseurs ont permis de réduire le dioxyde de carbone en méthane dans une moitié de la cellule, tandis que l’oxygène était produit à partir de l’eau dans l’autre moitié.

“Nous avons constaté que la modulation des distances entre les atomes de cuivre réduisait l’énergie nécessaire aux étapes clés de la réaction, accélérant ainsi la conversion chimique”, a déclaré Roy. “Cette action coopérative des atomes de cuivre proches a permis de produire du méthane avec un taux de sélectivité et d’efficacité très élevé.”

Les catalyseurs développés par Roy et ses collaborateurs ont produit l’une des conversions par électrolyse du dioxyde de carbone en méthane les plus rapides et les plus efficaces connues à ce jour, contribuant ainsi à faire progresser le processus de conversion à la fois en termes de connaissances scientifiques fondamentales et de niveau de performance.

“Si l’efficacité de la conversion énergétique et carbone au niveau du système peut être abordée, des matériaux peu coûteux et efficaces comme ceux-ci aideront à catalyser la traduction industrielle de la technologie électrochimique de réduction du dioxyde de carbone”, a déclaré Jingjie Wu, professeur agrégé de génie chimique et environnemental à l’Université de Cincinnati.

Ajayan, professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice et président du Département de science des matériaux et de nano-ingénierie, a ajouté que « la conception et le développement de nouveaux catalyseurs sont au cœur des défis énergétiques et durables auxquels nous sommes confrontés ».

“Les catalyseurs dispersés à un seul atome présentent une approche passionnante dans cet effort”, a déclaré Ajayan.

Wu et Chandra Veer Singh, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de Toronto, ont été les principaux contributeurs à l’étude.