Les chercheurs de l’Université Rice ont développé un réacteur électrochimique qui a le potentiel de réduire considérablement la consommation d’énergie pour la capture directe de l’air, c’est-à-dire l’élimination du dioxyde de carbone directement de l’atmosphère.
La nouvelle conception du réacteur pourrait faire partie de la solution au problème urgent des impacts des émissions sur le climat et la biosphère en permettant des stratégies d’atténuation du dioxyde de carbone plus agiles et évolutives.
Une étude en Énergie naturelle décrit le réacteur spécialisé comme ayant une structure modulaire à trois chambres avec une couche d’électrolyte solide poreux soigneusement conçue en son cœur. Haotian Wang, un ingénieur chimiste et biomoléculaire de Rice dont le laboratoire étudie les solutions de décarbonisation industrielle et de conversion et de stockage d’énergie, a déclaré que ces travaux « représentent une étape importante dans la capture du carbone de l’atmosphère ».
“Les résultats de nos recherches présentent une opportunité de rendre le captage du carbone plus rentable et pratiquement viable dans un large éventail d’industries”, a déclaré Wang, l’auteur correspondant de l’étude et professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire.
L’appareil a atteint des taux de régénération du dioxyde de carbone à partir de solutions contenant du carbone qui sont industriellement pertinents. Ses paramètres de performance, notamment sa stabilité à long terme et son adaptabilité à différentes réactions cathodiques et anodiques, mettent en valeur son potentiel pour une utilisation industrielle à grande échelle.
“L’un des principaux attraits de cette technologie est sa flexibilité”, a déclaré Wang, expliquant qu’elle fonctionne avec différents produits chimiques et peut être utilisée pour cogénérer de l’hydrogène. “La coproduction d’hydrogène lors de la capture directe de l’air pourrait se traduire par une réduction considérable des coûts d’investissement et d’exploitation pour la fabrication en aval de carburants ou de produits chimiques à valeur nette nulle.”
La nouvelle technologie offre une alternative à l’utilisation de températures élevées dans les processus de capture directe de l’air, qui impliquent souvent de faire passer un flux de gaz mélangé à travers des liquides à pH élevé afin de filtrer le dioxyde de carbone, un gaz acide. Cette première étape du processus lie les atomes de carbone et d’oxygène des molécules de gaz à d’autres composés du liquide, formant ainsi de nouvelles liaisons de différents degrés de force selon le type de produit chimique utilisé pour piéger le dioxyde de carbone. La prochaine étape majeure du processus consiste à récupérer le dioxyde de carbone de ces solutions, ce qui peut être effectué par la chaleur, par des réactions chimiques ou par des procédés électrochimiques.
Zhiwei Fang, chercheur postdoctoral chez Rice et co-premier auteur de l’étude, a déclaré que les technologies conventionnelles de capture directe de l’air ont tendance à utiliser des processus à haute température pour régénérer le dioxyde de carbone à partir du sorbant ou de l’agent filtrant le dioxyde de carbone.
“Notre travail s’est concentré sur l’utilisation de l’énergie électrique plutôt que de l’énergie thermique pour régénérer le dioxyde de carbone”, a déclaré Fang, ajoutant que l’approche présente plusieurs avantages supplémentaires, notamment le fait qu’elle fonctionne à température ambiante, ne nécessite aucun produit chimique supplémentaire et ne génère aucun sous-produit indésirable.
Les types de produits chimiques utilisés pour piéger le dioxyde de carbone présentent différents inconvénients et avantages. Les absorbants à base d’amines sont les plus largement utilisés, en partie parce qu’ils ont tendance à former des liaisons plus faibles, ce qui signifie que moins d’énergie est nécessaire pour extraire le dioxyde de carbone de la solution. Cependant, ils sont hautement toxiques et instables. Même si les solutions basiques à base d’eau utilisant des absorbants comme l’hydroxyde de sodium et l’hydroxyde de potassium constituent une alternative plus écologique, elles nécessitent des températures beaucoup plus élevées pour libérer le dioxyde de carbone.
« Notre réacteur peut diviser efficacement les solutions de carbonate et de bicarbonate, produisant un absorbant alcalin dans une chambre et du dioxyde de carbone de haute pureté dans une chambre séparée », a déclaré Wang. “Notre approche innovante optimise les entrées électriques pour contrôler efficacement le mouvement des ions et le transfert de masse, réduisant ainsi les barrières énergétiques.”
Wang a déclaré qu’il espérait que la recherche motiverait davantage d’industries à poursuivre des processus durables et alimenterait l’élan vers un avenir carboneutre. Il a ajouté que ce projet et d’autres projets menés dans son laboratoire au fil des ans reflètent l’orientation stratégique de Rice sur l’innovation énergétique durable.
“Le riz est l’endroit idéal si vous êtes passionné par la durabilité et l’innovation énergétique”, a déclaré Wang.
Les autres auteurs de l’étude sont l’ancien chercheur postdoctoral de Rice, Xiao Zhang, les anciens étudiants de doctorat de Rice et les anciens scientifiques postdoctoraux Peng Zhu et Yang Xia.
La recherche a été soutenue par la Fondation Robert A. Welch (C-2051) et la Fondation David et Lucile Packard (2020-71371).
