Utiliser le dioxyde de carbone comme matière première

Chimistes de la TU Berlin sous la direction du Prof. Dr. Peter Strasser du département « Électrochimie et Matériaux » se sont inspirés de la biocatalyse pour développer un nouveau catalyseur pour la réduction du dioxyde de carbone.

Le dioxyde de carbone (CO2) est largement connu comme un gaz à effet de serre nuisible au climat. La question récurrente est de savoir si et comment ce gaz pourrait également être utilisé comme matière première. Un sujet qui, entre autres, intéresse les industries qui ont besoin, par exemple, de grandes quantités de monoxyde de carbone (CO) pour la fabrication de polycarbonate ou de polyuréthane. Il s'agit de plastiques thermoplastiques utilisés, par exemple, dans la fabrication de CD, de lunettes et de verres de protection (polycarbonate) ou de mousses, tableaux de bord et mousses (polyuréthane).

« Le monoxyde de carbone nécessaire au processus de production est jusqu’à présent obtenu à partir du méthane, un combustible fossile », explique le Prof. Dr. Peter Strasser de la TU Berlin. « Un procédé qui consomme non seulement des combustibles fossiles, mais qui génère également du dioxyde de carbone supplémentaire. La question était de savoir si l’on doit impérativement obtenir le monoxyde de carbone à partir du méthane ou s'il existe une possibilité de le produire efficacement directement à partir du CO2 ? La réponse est oui : électrochimiquement, c’est possible, et ce processus est actuellement intensément étudié, notamment en collaboration avec des partenaires industriels comme la société Covestro. Le problème : le meilleur catalyseur connu à ce jour pour cette électrolyse reste relativement peu spécifique et nécessite en plus de l’or ou de l’argent dans son centre actif — ce qui le rend relativement coûteux. »

Dans le cadre d’un projet communautaire financé par Horizon2020, le groupe de travail de la Technische Universität Dresden, de l’Université de Bochum, de l’Université de Copenhague et de la TU Berlin, en tant que chef de consortium, s’est concentré sur un catalyseur bio-inspiré dont le centre actif s’inspire de celui de l’hémoglobine, le fameux porphyrine. Il contient dans son centre actif quatre atomes d’azote et un atome de métal au centre. C’est précisément ce centre actif qui a été fabriqué sous forme de solide. Des prédictions théoriques avaient déjà indiqué que ces motifs de porphyrine pouvaient non seulement réduire électrochimiquement l’oxygène, mais aussi convertir très sélectivement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. L’un des rares sous-produits est, par exemple, l’hydrogène. Le rôle clé est joué par le métal central. Il se lie à la molécule de CO2 et la transforme en monoxyde de carbone via différentes étapes intermédiaires. L’efficacité de cette production de CO dépend fortement du métal présent dans le centre actif du catalyseur.

« Nous avons notamment étudié le nickel et le fer comme atomes centraux dans le catalyseur. Le nickel, par exemple, est un dérivé particulièrement intéressant, car il ne lie que faiblement le monoxyde de carbone, ce qui facilite sa libération sous forme de gaz. Si le centre actif contient du fer, la production de monoxyde de carbone est initialement plus élevée qu’avec le nickel, mais le CO est alors beaucoup plus fortement lié. En conséquence, le catalyseur se bloque également beaucoup plus rapidement. En comparant différents dérivés du catalyseur, nous avons pu démontrer qu’au moins à l’échelle du laboratoire, un catalyseur composé à 99 % de carbone avec du nickel dans son centre actif produit le monoxyde de carbone de manière plus efficace et plus sélective à partir du dioxyde de carbone que les catalyseurs en or ou en argent connus », explique Peter Strasser à propos des résultats expérimentaux.

Alors que ces catalyseurs n’avaient jusqu’à présent été étudiés qu’en laboratoire, ils sont désormais fabriqués en grammes et testés dans une petite installation chez le partenaire industriel Covestro.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2
Wen Ju, Alexander Bagger, Guang-Ping Hao, Ana Sofia Varela, Ilya Sinev, Volodymyr Bon, Beatriz Roldan Cuenya, Stefan Kaskel, Jan Rossmeisl & Peter Strasser
Nature Communications 8, Numéro d’article : 944(2017), DOI : 10.1038/s41467-017-01035-z