Production sélective d’éthanol et d’éthylène à partir de CO2
Pour la santé de notre planète et le bien-être de ses habitants, il est impératif de limiter l’accumulation de CO2 dans l’atmosphère et d’atténuer son impact sur le climat. La décarbonation, le piégeage et le recyclage du carbone joueront probablement un rôle essentiel. La réduction du CO2 au cours de la photosynthèse est le moyen utilisé par la nature pour recycler le carbone atmosphérique afin de stocker et de libérer de l’énergie et de fabriquer d’autres molécules. Dans l’industrie, la réaction de réduction électrochimique du CO2 (CO2RR) apparaît comme l’une des stratégies les plus prometteuses. Le procédé peut être utilisé pour fabriquer des carburants et des produits chimiques à haute teneur en carbone, notamment du monoxyde de carbone (CO), de l’éthanol et de l’éthylène. Bien que les principes fondamentaux du processus CO2RR aient été démontrés à l’échelle du laboratoire, des optimisations techniques étaient encore nécessaires pour passer à la fabrication de dispositifs commercialement viables. Le projet SELECTCO2, financé par l’UE, a répondu à ce besoin pressant en améliorant la sélectivité et l’efficacité du processus tout en renforçant la durabilité des composants.
La réduction du CO2 limite son accumulation dans l’atmosphère, ainsi que la dépendance à l’égard des combustibles fossiles
Le CO est généralement produit par reformage à la vapeur du gaz naturel et de l’éthylène en décomposant les hydrocarbures à longue chaîne contenus dans les combustibles fossiles. La fermentation de la biomasse émet une molécule de CO2 pour chaque molécule d’éthanol produite. Selon le coordinateur du projet, Brian Seger, rattaché à l’université technique du Danemark, «notre processus part de 100 % de CO2 et utilise ensuite de l’énergie électrique et de l’eau pour convertir ce CO2 en molécules utiles. Le CO est un intermédiaire dans la conversion du CO2 en éthanol et en éthylène, de sorte que si nous commençons par le CO, nous sautons effectivement une étape. Les flux de sortie contenant du CO sont donc bénéfiques. La contribution de Tata Steel, membre de notre conseil consultatif industriel, s’est révélée très utile, car le processus sidérurgique produit des quantités considérables de CO2 et de CO».
Optimisation d’un dispositif CO2RR en vue de sa commercialisation
SELECTCO2 a cherché à renforcer les dispositifs d’électrolyse du CO2 en optimisant les performances du catalyseur, de la couche de diffusion des gaz et de la membrane, ainsi que leur intégration. Un modèle de transfert de masse à plusieurs échelles a permis d’améliorer les perspectives commerciales de l’appareil. «Nous avons mis en évidence les mécanismes de réaction qui rendent difficile la séparation de la production d’éthanol et d’éthylène, ce qui explique notre difficulté à obtenir une bonne sélectivité du catalyseur. En outre, nous avons déterminé le point d’embranchement où la réaction aboutit soit à l’éthanol, soit à l’éthylène, ce qui représente un avantage considérable pour l’avenir, car nous pourrons alors étudier les moyens de modifier la sélectivité», souligne Brian Seger. Entre-temps, les procédés thermiques catalytiques peuvent facilement passer d’une espèce à l’autre, soit en ajoutant de l’eau à l’éthylène, soit en l’éliminant de l’éthanol. La combinaison d’études expérimentales et informatiques a permis d’optimiser les dispositifs de manière fructueuse. Avant SELECTCO2, le CO2RR dans les cellules d’électrolyse atteignait généralement des densités de courant d’environ 10 mA/cm2 pour des expériences d’une heure à l’échelle du laboratoire. SELECTCO2 a apporté des avancées considérables dans ce domaine avec des densités de courant supérieures à 200 mA/cm2 (atteignant même plus de 1 000 mA/cm2) et une durée supérieure à 100 heures. «Nous avons mis au point des membranes échangeuses d’anions de classe mondiale, aussi conductrices que leurs homologues commerciales, mais qui peuvent fonctionner à des températures plus élevées et sont plus robustes sur le plan mécanique. Nos électrodes de diffusion de gaz ont montré d’excellentes performances par rapport aux références du commerce et nous travaillons à les breveter. Enfin, nous sommes parvenus à améliorer l’activité de nos électrocatalyseurs de réduction du CO2 à CO en utilisant des catalyseurs à site unique. Ils sont aujourd’hui parmi les plus actifs et les plus sélectifs qui soient», explique Brian Seger. Grâce à cette étape clé en matière de performance, l’électrolyse CO2RR permettant d’atténuer les émissions de CO2 sort des laboratoires et se rapproche du marché.
Mots‑clés
SELECTCO2, CO2, éthanol, éthylène, CO2RR, catalyseur, réduction du CO2, électrolyse, réaction de réduction du CO2, recyclage du carbone
