Convertir chimiquement le CO2 en carburant (éthanol), ce n'est pas nouveau. Il y a par exemple le projet SOLETAIR lancé il y a plusieurs années. Le souci, c'est qu'il faut une bonne dose d'énergie et que l'opération perd tout intérêt avec un rendement médiocre. Pour améliorer tout cela, il faut aider la réaction. Cela se fait à l'aide de catalyseurs et d'électrolyseurs.

En 2016, une découverte, faite un peu par hasard, a étonné les scientifiques. Des chercheurs de l'Oak Ridge Laboratory dans le Tennessee aux USA ont découvert qu'en mélangeant du CO2 à de l'eau, en présence de carbone, cuivre et azote, de l'éthanol se formait. Le cuivre passe par un état transitoire et il se crée ce que l'on appelle des "nanoclusters".

Des découvertes multiples et rapides

Depuis, différentes équipes du monde entier planche sur un catalyseur pour améliorer la réaction et la rendre peu cher. En 2019, des scientifiques du Collège de France ont utilisé du carbone "dopé au cuivre et à l'azote", parcouru par du courant électrique pour améliorer la réaction. C'était déjà un grand pas en avant puisque la réaction ne produisait que de l'éthanol, se faisait à température ambiante pour un coût largement en baisse.

Cette fois, ce sont des chercheurs du laboratoire national d'Argonne (USA) qui améliore encore le processus. Cette fois, l'équipe du département Energie a saupoudré "atomiquement" du cuivre sur une poudre de carbone, toujours soumis à du courant électrique. Résultat, ce nouveau catalyseur permet une réaction à température ambiante, mais également à des tensions basses.

Et cela a son importance. Température et tension relativement basses, permettent de limiter les pertes inhérentes à toutes réactions (chaleur, sous-produits, etc.). L'efficacité faradique de la réaction est évaluée à 91%. C'est le taux le plus élevé qu'une étude scientifique a jamais publié pour la transformation du CO2 en éthanol. En outre, l'équipe affirme que le catalyseur est stable dans le temps et supporte un nombre de réactions élevé.

Durant l'étude, il a été mis en évidence les transformations qui se déroulent pour le cuivre. Chaque atome de cuivre saupoudré se réunit avec deux autres atomes de cuivre pour former un cluster métallique à 3 atomes. Cette observation va servir à améliorer encore le processus.

Pourquoi un tel catalyseur est intéressant ?

Le fait de permettre une réaction à température ambiante et sans condition particulière est très important pour la mise en production de ce genre de réactions chimiques. En effet, cela évite d'avoir à maintenir une température (ou pression, etc) élevée en permanence ce qui réduirait considérablement le rendement global.

De plus, cette température ambiante permet de lancer et d'arrêter la réaction en quelques secondes. Pas de préchauffage ou autre. On pourrait donc envisager d'utiliser des sources d'électricité intermittentes...comme le photovoltaïque ou l'éolien en surplus. Et là, c'est la haute efficacité de Faraday qui est intéressante ici. Cela évite un gâchis d'électricité pour "rien".

Cela permet d'envisager un cycle du CO2 qui serait piégé et réutilisé plutôt que de simplement le relâcher dans l'atmosphère.

Pourquoi transformer le CO2 en éthanol ?

Le CO2 est un gaz à effet de serre très largement émis par l'Homme et son industrie à base d'énergie fossile. Recycler le CO2 devient un enjeu mondial. Encore faut-il savoir en quoi le transformer utilement.

L'éthanol, un alcool, est utilisé dans plusieurs domaines comme l'industrie chimique, la cosmétique, les médicaments, etc. Mais, il peut aussi être utilisé en carburant, que ce soit mélangé à de l'essence, ou dans une pile à combustible à éthanol-direct. Bref, un produit intéressant, si et seulement si, il peut être produit à bas coût.

Et pour cela, ce nouveau catalyseur est un plus. Est-ce que ce sera ce catalyseur qui permettra les premières vraies conversions CO2 vers éthanol ? En tous cas, l'équipe de l'Argonne va désormais travailler avec les industriels sur la mise en production de ce catalyseur, mais également d'autres qui permettent de produire d'autres éléments comme l'éthylène (lui aussi très utilisé dans la chimie).

Certains imaginent même déjà des "pièges à CO2" sur les cheminées d'usine qui donneraient de l'éthanol à partir du surplus des énergies renouvelables : une sorte de stockage des EnR non utilisées en somme. Pour l'automobile, cela pourrait éviter de devoir planter de plus en plus de canne à sucre au Brésil (en déforestant) ou de betterave à sucre. Cela pourrait aussi éviter de planter des palmiers à huile pour produire un agro-gazole.

Vidéo d'introduction des cours du Professeur Marc Fontecave au Collège de France

Sources :

Collège de France - Catalyse hétérogène et activation de petites molécules par Marc Fontecave

Article de l'Argonne sur le nouveau catalyseur

Publication dans Nature de l'étude : Highly selective electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by metallic clusters dynamically formed from atomically dispersed copper

Illustration : leblogauto.com