2024-03-27 14:14:11
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Credit: JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.3c00823
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Credit: JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.3c00823
Les ingénieurs chimistes du MIT ont mis au point un moyen efficace de convertir le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, un précurseur chimique qui peut être utilisé pour générer des composés utiles tels que l’éthanol et d’autres carburants.
S’il est étendu à un usage industriel, ce processus pourrait contribuer à éliminer le dioxyde de carbone des centrales électriques et d’autres sources, réduisant ainsi la quantité de gaz à effet de serre rejetés dans l’atmosphère.
«Cela vous permettrait de récupérer le dioxyde de carbone issu des émissions ou dissous dans l’océan et de le convertir en produits chimiques rentables. C’est vraiment une voie à suivre pour la décarbonisation, car nous pouvons prendre le CO2, qui est un gaz à effet de serre, et le transformer en choses qui ne sont pas polluantes.» utile pour la fabrication de produits chimiques », déclare Ariel Furst, professeur adjoint de développement de carrière Paul M. Cook en génie chimique et auteur principal de l’étude.
La nouvelle approche utilise l’électricité pour effectuer la conversion chimique, avec l’aide d’un catalyseur attaché à la surface de l’électrode par des brins d’ADN. Cet ADN agit comme du Velcro pour maintenir tous les composants de la réaction à proximité, rendant la réaction beaucoup plus efficace que si tous les composants flottaient dans une solution.
Furst a créé une société appelée Helix Carbon pour développer davantage la technologie. Gang Fan, ancien postdoctorant du MIT, est l’auteur principal de l’article, publié dans le Journal of the American Chemical Society Au. Parmi les autres auteurs figurent Nathan Corbin Ph.D. ’21, Minju Chung Ph.D. ’23, les anciens postdoctorants du MIT Thomas Gill et Amruta Karbelkar, et Evan Moore ’23.
Décomposer le CO2
Pour convertir le dioxyde de carbone en produits utiles, il faut d’abord le transformer en monoxyde de carbone. Une façon d’y parvenir est d’utiliser l’électricité, mais la quantité d’énergie requise pour ce type d’électrocatalyse est d’un coût prohibitif.
Pour tenter de réduire ces coûts, les chercheurs ont essayé d’utiliser des électrocatalyseurs, qui peuvent accélérer la réaction et réduire la quantité d’énergie à ajouter au système. Un type de catalyseur utilisé pour cette réaction est une classe de molécules appelées porphyrines, qui contiennent des métaux tels que le fer ou le cobalt et dont la structure est similaire aux molécules d’hème qui transportent l’oxygène dans le sang.
Au cours de ce type de réaction électrochimique, le dioxyde de carbone est dissous dans l’eau dans un dispositif électrochimique contenant une électrode qui entraîne la réaction. Les catalyseurs sont également en suspension dans la solution. Cependant, cette configuration n’est pas très efficace car le dioxyde de carbone et les catalyseurs doivent se rencontrer à la surface de l’électrode, ce qui n’arrive pas très souvent.
Pour que la réaction se produise plus fréquemment, ce qui augmenterait l’efficacité de la conversion électrochimique, Furst a commencé à travailler sur des moyens de fixer les catalyseurs à la surface de l’électrode. L’ADN semblait être le choix idéal pour cette application.
«L’ADN est relativement peu coûteux, vous pouvez le modifier chimiquement et contrôler l’interaction entre deux brins en modifiant les séquences», explique-t-elle. «C’est comme un Velcro spécifique à une séquence qui a des interactions très fortes mais réversibles que vous pouvez contrôler.»
Pour attacher des brins simples d’ADN à une électrode de carbone, les chercheurs ont utilisé deux « poignées chimiques », une sur l’ADN et une sur l’électrode. Ces poignées peuvent être assemblées, formant un lien permanent. Une séquence d’ADN complémentaire est ensuite attachée au catalyseur de porphyrine, de sorte que lorsque le catalyseur est ajouté à la solution, il se lie de manière réversible à l’ADN déjà attaché à l’électrode, tout comme le Velcro.
Une fois ce système mis en place, les chercheurs appliquent un potentiel (ou polarisation) à l’électrode, et le catalyseur utilise cette énergie pour convertir le dioxyde de carbone présent dans la solution en monoxyde de carbone. La réaction génère également une petite quantité d’hydrogène gazeux provenant de l’eau. Une fois les catalyseurs usés, ils peuvent être libérés de la surface en chauffant le système pour rompre les liaisons réversibles entre les deux brins d’ADN, et remplacés par de nouveaux.
Une réaction efficace
Grâce à cette approche, les chercheurs ont pu augmenter l’efficacité faradique de la réaction à 100 %, ce qui signifie que toute l’énergie électrique entrant dans le système va directement dans les réactions chimiques, sans gaspillage d’énergie. Lorsque les catalyseurs ne sont pas liés par l’ADN, l’efficacité faradique n’est que d’environ 40 %.
Selon Furst, cette technologie pourrait être étendue à une utilisation industrielle assez facilement, car les électrodes de carbone utilisées par les chercheurs sont beaucoup moins coûteuses que les électrodes métalliques conventionnelles. Les catalyseurs sont également peu coûteux, car ils ne contiennent aucun métal précieux et seule une petite concentration de catalyseur est nécessaire à la surface de l’électrode.
En échangeant différents catalyseurs, les chercheurs prévoient d’essayer de fabriquer d’autres produits tels que le méthanol et l’éthanol en utilisant cette approche. Helix Carbon, la société créée par Furst, travaille également au développement de la technologie en vue d’une utilisation commerciale potentielle.
Plus d’information:
Gang Fan et al, Électroréduction hautement efficace du dioxyde de carbone via une immobilisation de catalyseur dirigée par l’ADN, JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.3c00823
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.
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