Des chercheurs de l’université de Cambridge ont mis au point un réacteur solaire qui transforme le CO2 provenant des émissions industrielles, de l’air et des déchets plastiques en carburants durables et en produits chimiques de valeur. Cette percée scientifique marque une étape décisive vers une économie circulaire et sans combustibles fossiles. (Concept d’artiste.)
Des chercheurs ont démontré comment le dioxyde de carbone peut être capturé dans les processus industriels – ou même directement dans l’air – et transformé en carburants propres et durables en utilisant uniquement l’énergie du soleil.
Les chercheurs de l’université de Cambridge ont mis au point un réacteur solaire qui convertit le CO2 capturé et les déchets plastiques en carburants durables et autres produits chimiques de valeur. Lors des essais, le CO2 a été converti en gaz de synthèse, un élément clé pour les carburants liquides durables, et les bouteilles en plastique ont été transformées en acide glycolique, largement utilisé dans l’industrie cosmétique.
Toutefois, contrairement aux essais précédents de sa technologie des combustibles solaires, l’équipe a utilisé du CO2 provenant de sources réelles, telles que les gaz d’échappement industriels ou l’air lui-même. Les chercheurs ont pu capturer et concentrer le CO2 et le convertir en carburant durable.
Photographie montrant le captage du carbone dans l’air et sa conversion photoélectrochimique en carburant, ainsi que la conversion simultanée de déchets plastiques en produits chimiques. Crédit : Ariffin Mohamad Annuar
Bien que des améliorations soient nécessaires avant que cette technologie puisse être utilisée à l’échelle industrielle, les résultats, publiés dans la revue Joule, représentent une nouvelle étape importante vers la production de combustibles propres pour alimenter l’économie, sans qu’il soit nécessaire de recourir à l’extraction de pétrole et de gaz, qui est destructrice pour l’environnement.
Depuis plusieurs années, le groupe de recherche du professeur Erwin Reisner, basé au département de chimie de Yusuf Hamied, met au point des carburants durables à teneur nulle en carbone, inspirés de la photosynthèse – le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil en nourriture – à l’aide de feuilles artificielles. Ces feuilles artificielles transforment le CO2 et l’eau en carburants en utilisant uniquement la puissance du soleil.
Jusqu’à présent, leurs expériences solaires ont utilisé du CO2 pur et concentré provenant d’un cylindre, mais pour que la technologie soit d’une utilité pratique, elle doit pouvoir capturer activement le CO2 provenant de processus industriels ou directement de l’air. Toutefois, le CO2 n’étant qu’un des nombreux types de molécules présentes dans l’air que nous respirons, rendre cette technologie suffisamment sélective pour convertir du CO2 très dilué représente un énorme défi technique.
De gauche à droite : Erwin Reisner, Sayan Kar, Motiar Rahaman. Crédit : Ariffin Mohamad Annuar
« Nous ne nous intéressons pas seulement à la décarbonisation, mais à la dé-fossilisation – nous devons éliminer complètement les combustibles fossiles afin de créer une économie véritablement circulaire », a déclaré Erwin Reisner. « À moyen terme, cette technologie pourrait contribuer à réduire les émissions de carbone en les capturant dans l’industrie et en les transformant en quelque chose d’utile, mais en fin de compte, nous devons éliminer complètement les combustibles fossiles de l’équation et capturer le CO2 de l’air. »
Les chercheurs se sont inspirés du captage et du stockage du carbone (CSC), où le CO2 est capté puis pompé et stocké sous terre.
« Le CSC est une technologie très prisée par l’industrie des combustibles fossiles, qui y voit un moyen de réduire les émissions de carbone tout en poursuivant l’exploration pétrolière et gazière », explique M. Reisner. « Mais si, au lieu du captage et du stockage du carbone, nous avions le captage et l’utilisation du carbone, nous pourrions faire quelque chose d’utile du CO2 au lieu de l’enfouir sous terre, avec des conséquences à long terme inconnues, et éliminer l’utilisation des combustibles fossiles.
Les chercheurs ont adapté leur technologie solaire pour qu’elle fonctionne avec les gaz de combustion ou directement dans l’air, convertissant le CO2 et les plastiques en carburant et en produits chimiques en utilisant uniquement l’énergie solaire.
En faisant barboter l’air dans le système contenant une solution alcaline, le CO2 est sélectivement piégé et les autres gaz présents dans l’air, tels que l’azote et l’oxygène, s’échappent de manière inoffensive. Ce processus de barbotage permet aux chercheurs de concentrer le CO2 de l’air dans la solution, ce qui le rend plus facile à travailler.
Le système intégré contient une photocathode et une anode. Le système comporte deux compartiments : d’un côté, la solution de CO2 capturée est convertie en gaz de synthèse, un combustible simple. De l’autre, les plastiques sont transformés en produits chimiques utiles en utilisant uniquement la lumière du soleil.
« La composante plastique est une astuce importante pour ce système », a déclaré le Dr Motiar Rahaman, coauteur du projet. « La capture et l’utilisation du CO2 de l’air rendent la chimie plus difficile. Mais si nous ajoutons des déchets plastiques au système, le plastique donne des électrons au CO2. Le plastique se décompose en acide glycolique, largement utilisé dans l’industrie cosmétique, et le CO2 est converti en gaz de synthèse, qui est un combustible simple. »
« Ce système à énergie solaire transforme deux déchets nocifs – le plastique et les émissions de carbone – en quelque chose de vraiment utile », a déclaré le Dr Sayan Kar, coauteur du projet.
« Au lieu de stocker le CO2 sous terre, comme dans le cas du CSC, nous pouvons le capturer dans l’air et en faire un carburant propre », a déclaré M. Rahaman. « De cette manière, nous pouvons éliminer l’industrie des combustibles fossiles du processus de production de carburant, ce qui, espérons-le, nous aidera à éviter la destruction du climat.
« Le fait que nous puissions effectivement extraire le CO2 de l’air et en faire quelque chose d’utile est exceptionnel », a déclaré M. Kar. « Il est satisfaisant de voir que nous pouvons le faire en utilisant uniquement la lumière du soleil.
Les scientifiques travaillent actuellement à la mise au point d’un dispositif de démonstration en laboratoire, plus efficace et plus pratique, afin de mettre en évidence les avantages de l’association du captage direct de l’air et de l’utilisation du CO2 en tant que moyen de parvenir à un avenir sans carbone.
Référence : « Integrated capture and solar-driven utilization of CO2 from flue gas and air » par Sayan Kar, Motiar Rahaman, Virgil Andrei, Subhajit Bhattacharjee, Souvik Roy et Erwin Reisner, 19 juin 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.022
Cette recherche a été soutenue en partie par le Weizmann Institute of Science, la bourse Marie Skłodowska-Curie de la Commission européenne, le programme Winton pour la physique de la durabilité et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner est membre et Motiar Rahaman est associé de recherche du St John’s College, Cambridge. Erwin Reisner dirige le Cambridge Circular Plastics Centre (CirPlas), dont l’objectif est d’éliminer les déchets plastiques en combinant des idées novatrices et des mesures pratiques.