Une technologie alimentée par la lumière solaire transforme le carbone océanique dissous en matière première industrielle

L'océan est le plus grand puits de carbone dynamique de la planète, absorbant 400 millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO₂) par an grâce à des échanges continus avec l'atmosphère. Des chercheurs de Yale ont mis au point un système efficace pour extraire et convertir le CO₂ dissous en carburants propres et en matières premières industrielles utiles. Publiée dans  Nature Communications ,  cette avancée pourrait transformer l'eau de mer en une source durable de produits à base de carbone tout en contribuant à équilibrer les niveaux de CO₂ océanique.

Le professeur Shu Hu, du département de génie chimique et environnemental et membre du Yale Energy Sciences Institute, a dirigé le projet et décrit le système comme un système de « capture et de conversion du carbone alimenté par l'énergie solaire et les océans ». Ou, plus simplement, il produit des « carburants à partir du soleil ». L'équipe utilise la lumière du soleil pour transformer le carbone dissous de l'eau de mer en gaz de synthèse, un gaz de synthèse composé de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène. Ce composé polyvalent est un élément clé de la production de produits chimiques et de carburants industriels de valeur.

Les efforts antérieurs visant à exploiter l'énergie solaire pour convertir le carbone dissous de l'eau de mer en produits utiles se sont heurtés à des difficultés considérables. La concentration extrêmement faible d'ions carbonates dans l'eau de mer rend difficile l'obtention d'un rendement énergétique élevé et la formation sélective de produits. De plus, les réacteurs existants sont limités aux expériences en laboratoire. Outre les catalyseurs, une conception de réacteur capable de fonctionner en continu et à grande échelle est nécessaire pour exploiter pleinement le dioxyde de carbone de l'eau de mer.

S'appuyant sur l'expertise du groupe Hu en matière de conception de photocatalyse et de réacteur optimisant l'utilisation de la lumière pour la transformation chimique, ils ont développé un nouveau dispositif photoélectrochimique. Ce dispositif utilise uniquement la lumière solaire pour transformer le carbone dissous dans l'eau de mer – principalement du bicarbonate – en gaz de synthèse.

Ce procédé imite le fonctionnement de la photosynthèse dans les écosystèmes océaniques et atteint un rendement solaire-carburant de 0,71 %, comparable à celui des algues pour la conversion du carbone. Plus frappant encore est la découverte de l'équipe : malgré une concentration quasi nulle de carbonate dans l'eau de mer, la sélectivité de la réaction peut être fortement influencée par le champ d'écoulement à l'intérieur du réacteur. En eau de mer statique, la teneur en CO du produit n'était que de 3 %. Cependant, dans des conditions d'écoulement contrôlées à l'intérieur du réacteur, la proportion de CO a bondi à 21 %.

« Cela fonctionne comme une course de relais parfaitement synchronisée », explique Xiang Shi, co-auteur de l'étude et étudiant diplômé dans le laboratoire de Hu. « L'anode transmet des protons et du CO₂ à la cathode, qui fonce ensuite vers la ligne d'arrivée : la conversion. Ce travail d'équipe permet de mener à bien l'ensemble de la réaction. Nous y sommes parvenus en concevant le réacteur de manière à ce que le flux traverse d'abord les anodes, où l'eau est oxydée et les protons libérés. Ces protons sont transportés par le flux, déclenchant une cascade de réactions qui convertissent le bicarbonate en CO₂ dissous, lequel est ensuite transporté vers les cathodes en aval et réduit. »

Grâce à cette approche, ils ont optimisé le processus de transfert de masse de la réaction, régulant ainsi le flux atteignant la surface de l'électrode. Ils ont ainsi non seulement réussi à éliminer le dioxyde de carbone de l'eau de mer, mais aussi à utiliser la lumière du soleil pour produire du carburant directement à partir de l'océan.

Les chercheurs prévoient ensuite de perfectionner la technologie du système et, à terme, de le transformer en un réacteur industriel à grande échelle. La conception modulaire du réacteur permet d'assembler ces cellules d'écoulement en réseaux flottants de l'ordre du mètre carré. Ces réacteurs flottants exploitent les mouvements naturels des marées et les courants océaniques pour faire circuler passivement l'eau de mer dans le système. L'eau de mer circulant dans les réacteurs convertit en continu le CO₂ dissous en gaz de synthèse sous l'effet de la lumière solaire, lequel peut être collecté et transporté vers des installations industrielles pour être utilisé en aval dans la synthèse chimique ou la production de carburant.

« Nous espérons construire des réacteurs flottants à grande échelle sur la mer afin de pouvoir utiliser directement la lumière du soleil et l'eau de mer pour produire des combustibles solaires », a déclaré M. Hu.

https://engineering.yale.edu/news-and-events/news/making-fuels-sunlight