Répondre aux préoccupations liées au dioxyde de carbone avec des matériaux photocatalytiques nouvellement découverts

Le volume mondial des émissions de dioxyde de carbone est le défi le plus grave auquel nous sommes confrontés aujourd’hui. Ces émissions sont devenues particulièrement menaçantes pour l’existence au cours des 75 dernières années. 

En 1950, le monde a émis 6 milliards de tonnes de dioxyde de carbone. En 1990, ce chiffre était passé à 20 milliards de tonnes. Et aujourd’hui, il dépasse 35 milliards de tonnes. Les États‑Unis seuls ont émis environ 400 milliards de tonnes de dioxyde de carbone depuis 1751, soit presque un quart de toutes les émissions à ce jour. Depuis 1751, le volume cumulé mondial des émissions de dioxyde de carbone s’élève à 1,5 trillion de tonnes. 

Le dioxyde de carbone peut provenir de nombreuses sources, notamment la combustion de combustibles fossiles, les incendies de forêt, les éruptions volcaniques, etc. Il est nocif parce qu’il s’agit d’un gaz à effet de serre. Le dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre forment une couverture qui retient la chaleur que la planète pourrait autrement rayonner dans l’espace. 

Ce qui est encore plus inquiétant, c’est que les capacités de rétention de chaleur du dioxyde de carbone sont énormes, et un petit volume de dioxyde de carbone atmosphérique peut retenir d’immenses quantités de chaleur. Le chiffre de plus de 35 milliards de tonnes d’émissions dont nous avons parlé résulte de la simple présence du dioxyde de carbone à hauteur de 0,04 % de l’atmosphère. 

En expliquant à quel point la présence de dioxyde de carbone dans l’atmosphère est négligeable, Jason Smerdon, climatologue au Lamont‑Doherty Earth Observatory de l’Université Columbia, a donné l’analogie suivante: 

“Si une personne de ma taille boit deux bières, son taux d’alcoolémie sera d’environ 0,04 %.” 

Cependant, il rappelle que même un petit volume d’une substance peut entraîner des conséquences défavorables irréversibles. Il poursuit: 

“Il ne faut pas beaucoup de cyanure pour empoisoner une personne. Tout dépend de la façon dont cette substance spécifique interagit avec le système plus large et de ce qu’elle fait pour influencer ce système.”

Par conséquent, les propriétés de rétention de chaleur du dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre constituent une menace qui doit être traitée avec la plus grande urgence et sincérité. 

Le Climate and Clean Air Coalition, une initiative convoquée par le PNUE, reconnaît cette urgence avec les termes les plus éloquents possibles. Il déclare: 

“Nous manquons de temps pour maintenir le réchauffement en dessous de 2 degrés Celsius.”

Selon Durwood Zaelke, président du comité et président de l’Institute for Governance and International Development (IGSD):

“Nous ne pouvons pas résoudre un problème à évolution rapide comme le changement climatique avec des solutions à évolution lente. La rapidité est notre nouvelle métrique — la rapidité pour réduire les SLCP d’ici 2030, atteindre une énergie propre et des émissions nettes zéro d’ici 2050, et éliminer une part croissante du dioxyde de carbone déjà émis.”

Zaelke précise davantage l’objectif en déclarant:  

“Réduire les SLCP peut éviter 0,6 degré de réchauffement d’ici le milieu du siècle et jouer un rôle crucial si nous voulons limiter le réchauffement à 1,5 degré.”

Ici, SLCP désigne les polluants climatiques à courte durée de vie. 
Aborder les préoccupations liées au dioxyde de carbone est le besoin du moment. Répondre à cette urgence sans précédent ne sera pas possible sans solutions innovantes. Dans les sections suivantes, nous abordons ces méthodes innovantes qui ont récemment émergé. 

Les chercheurs montrent comment transformer le dioxyde de carbone en carburant durable

Une équipe internationale de chercheurs, comprenant des représentants de la School of Chemistry de l’Université de Nottingham, de l’Université de Birmingham, de l’Université du Queensland et de l’Université d’Ulm, a conçu un matériau qui peut être considéré comme une avancée significative et décisive dans la production de nouveaux carburants verts.

Plus d’informations sur le matériau

Le matériau est dérivé du cuivre ancré sur du nitrure de carbone nanocristallin. Les atomes de cuivre se trouvent au sein de la structure nanocristalline, permettant aux électrons de passer du nitrure de carbone au dioxyde de carbone. Ce transfert est essentiel pour produire du méthanol à partir du dioxyde de carbone sous irradiation solaire. 

Si elle parvient à être mise à l’échelle, la procédure résoudra l’un des problèmes les plus cruciaux pour faire face aux menaces posées par le dioxyde de carbone. 

Le dioxyde de carbone, principal facteur du réchauffement climatique, peut être converti en produits utiles. Cependant, jusqu’à présent, ces processus de conversion nécessitaient que nous dépendions de l’hydrogène provenant de combustibles fossiles. L’énergie solaire est utilisée pour la première fois. 

La recherche confirme la nécessité de développer des méthodes alternatives, basées sur la photo‑ et l’électrocatalyse, des processus qui exploitent efficacement l’énergie solaire durable et l’abondance d’eau. 

Selon le Dr Madasamy Thangamuthu, l’un des chercheurs de la School of Chemistry: 

“Il existe une grande variété de matériaux différents utilisés en photocatalyse. Il est important que le photocatalyseur absorbe la lumière et sépare les porteurs de charge avec une grande efficacité. Dans notre approche, nous contrôlons le matériau à l’échelle nanométrique. Nous avons développé une nouvelle forme de nitrure de carbone avec des domaines cristallins à l’échelle nanométrique qui permettent une interaction efficace avec la lumière ainsi qu’une séparation suffisante des charges.”

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Plus d’informations sur le processus

Le processus de chauffage utilisé dans la recherche a assuré que le nitrure de carbone atteigne le niveau de cristallité requis, essentiel pour maximiser le potentiel du matériau en photocatalyse. Le procédé a également impliqué un dépôt par pulvérisation magnétron pour déposer le cuivre sans utiliser de solvants. Cette absence de solvants a permis un contact intime entre le semi‑conducteur et les atomes de métal. 

Selon Tara LeMercier, doctorante à la School of Chemistry de l’Université de Nottingham:

“Même sans cuivre, la nouvelle forme de nitrure de carbone est 44 fois plus active que le nitrure de carbone traditionnel. Cependant, à notre surprise, l’ajout de seulement 1 mg de cuivre pour 1 g de nitrure de carbone a quadruplé cette efficacité. Le plus important, c’est que la sélectivité est passée du méthane, autre gaz à effet de serre, au méthanol, un carburant vert précieux.”

Dans l’ensemble, l’expérience était pionnière car elle utilisait des catalyseurs ne contenant que des éléments durables. Selon le professeur Andrei Khlobystov de la School of Chemistry:

“La valorisation du dioxyde de carbone est la clé pour atteindre l’ambition net zéro du Royaume-Uni. Il est crucial d’assurer la durabilité de nos matériaux catalytiques pour cette réaction importante. Un grand avantage du nouveau catalyseur est qu’il est composé d’éléments durables — carbone, azote et cuivre — tous très abondants sur notre planète.”

Des entreprises du monde entier travaillent à transformer le carbone en énergie verte. Certaines de ces entreprises nous ont offert des solutions vraiment passionnantes, innovantes et efficaces. 

#1. Climeworks

Climeworks est connu pour ses installations de capture directe de l’air et de stockage, qui retirent le dioxyde de carbone de l’atmosphère. En plus d’exploiter ses installations de retrait du carbone, Climeworks s’associe également à d’autres pour garantir un portefeuille complet de solutions de haute qualité pour la stratégie mondiale net zéro.

L’entreprise est active dans le monde entier et propose des solutions diverses adaptées à des besoins spécifiques. Par exemple, en Islande, l’entreprise, avec l’aide de son partenaire de stockage Carbfix, transporte le dioxyde de carbone profondément sous terre et le fait réagir avec la roche basaltique grâce à un processus naturel afin que l’émission nocive se transforme en pierre et reste encapsulée en toute sécurité pendant plus de 10 000 ans. 

Aux États‑Unis, Climeworks a annoncé trois projets dans le cadre du programme Regional DAC Hubs du Département de l’Énergie des États‑Unis. Le projet Cypress, dont Climeworks est partenaire de développement, déploiera la méthode de capture directe de l’air pour éliminer l’excès de dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère afin de prévenir l’aggravation des événements climatiques extrêmes, tels que les ouragans, les sécheresses et les inondations, à long terme. 

À Zurich, en Suisse, Climeworks a développé une installation qui aide à produire des légumes neutres en carbone. Son installation de capture directe de l’air injecte le gaz dans les serres, stimulant la photosynthèse des plantes et augmentant leur rendement jusqu’à 20%. Climeworks affirme qu’elle extraira environ 900 tonnes de CO2 par an de l’air.

Selon Matt Lucas du Centre for Carbon Removal:

“Les technologies de capture du CO2 dans l’air, comme les unités de Climeworks, ont le potentiel de connaître les mêmes baisses de prix rapides que nous avons observées pour le solaire, l’éolien et les batteries, qui sont également des produits fabriqués en usine.”

Le 9 avril 2024, Climeworks a reçu 2,2 millions CHF (26 m NOK) de financement norvégien d’Enova, l’entreprise publique appartenant au ministère norvégien du Climat et de l’Environnement. 

Il y a deux ans, Climeworks avait conclu une levée de fonds en actions de 600 millions CHF (650 millions USD). La liste des investisseurs comprenait plusieurs investisseurs institutionnels technologiques et d’infrastructures bien connus et de grande envergure à l’échelle mondiale.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon a construit la première installation commerciale de capture directe de l’air aux États‑Unis. Alimentée entièrement par des énergies renouvelables, l’installation élimine de façon permanente le dioxyde de carbone de l’atmosphère. 

Elle exploite le processus de minéralisation du carbone, où des roches comme le calcaire — connu comme puits de carbone naturel — capturent d’énormes quantités de CO2 au fil du temps. En tant que l’une des roches les plus abondantes sur la planète, le calcaire peut capturer d’importantes quantités de CO2 de l’air au fil des années. La technologie d’Heirloom Carbon accélère ce processus à quelques jours seulement. 

La technologie d’Heirloom présente plusieurs avantages. Elle élimine de façon permanente le dioxyde de carbone, garantissant que le gaz reste stocké en toute sécurité sous terre pour toujours. Les services d’Heirloom ont également une empreinte environnementale minimale, car ses installations peuvent retirer 50 tonnes de CO2 par mètre carré et peuvent être implantées sur des terres non arables.

Avec le temps, Heirloom estime que ses services deviendront optimalement rentables, les crédits de retrait de carbone coûtant moins de 100 $ US par tonne de dioxyde de carbone d’ici 2035. 

En avril 2022, Heirloom a levé 1 million US$ sous forme de subvention de la Mask Foundation et de XPRIZE. Elle a levé 53 millions US$ en série A auprès d’AENU et d’une douzaine d’autres investisseurs le 17 mars 2022. En juin 2021, Heirloom a reçu une subvention de 255 737 US$ de la National Science Foundation. 

Se concentrer sur un plan complet de lutte contre les émissions de carbone

Un tel plan examine le cycle de vie complet des émissions de carbone et prévoit de les combattre partout de la manière la plus prudente, optimisée pour le site et efficace possible. Par exemple, des solutions comme Climate TRACE aident à identifier les points chauds mondiaux d’émissions grâce aux satellites et à l’apprentissage automatique. Des entreprises comme CarbonChain, en revanche, contribuent à réduire les émissions dans la chaîne d’approvisionnement en aidant les entreprises à profiler leurs émissions actuelles et à trouver des moyens de les diminuer grâce à l’intelligence artificielle. La détection des fuites d’énergie fait également partie de ce plan complet. 

Une fois le processus d’identification terminé, il existe trois voies possibles pour aborder les préoccupations liées au dioxyde de carbone. La première se concentre sur l’arrêt des dommages climatiques supplémentaires causés par les émissions de dioxyde de carbone. La deuxième vise à améliorer l’efficacité énergétique afin de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. La troisième, qui est également la plus ambitieuse des trois, tente d’inverser les dommages déjà survenus. 

En ce qui concerne les solutions spécifiques, de nombreuses idées ont évolué. Les scientifiques ont préconisé la culture de plantes ou d’algues marines capables d’absorber le CO2 de l’atmosphère pendant leur croissance, tout en servant de source d’énergie renouvelable. Des expériences plus novatrices et radicales impliquent, par exemple, un nouveau polymère capable de collecter l’énergie solaire. Ces polymères peuvent ensuite être appliqués aux textiles afin que nos vêtements deviennent à la fois des sources d’énergie vertes et mobiles. 

Au fil des années, de nombreuses applications et solutions attrayantes ont été développées dans le domaine de la réversibilité des dommages. Par exemple, des scientifiques travaillent sur du béton à base de carbone qui libère le CO2 des fumées industrielles dans le calcaire synthétique, un ingrédient clé du béton. À cet égard, il faut se rappeler que la production de béton représente entre 4 % et 8 % des émissions mondiales de CO2. 

Des travaux sont également en cours pour développer des cultures qui consomment le carbone, des engrais séquestrant le carbone, et bien plus encore. 

Grâce à toutes ces innovations, nous devons garantir une réduction nette de 55 % ou plus par rapport aux niveaux de 1990 d’ici 2030 et un objectif de neutralité climatique d’ici 2050. Bien que beaucoup reste à faire dans les domaines de la transition des combustibles fossiles vers une énergie propre et renouvelable, la coopération mondiale doit également être efficace pour stopper la déforestation, utiliser les terres de manière durable, et restaurer la nature.

Des efforts soutenus finiront par nous aider à équilibrer le volume de gaz à effet de serre libéré dans l’atmosphère avec la capture et le stockage de ces gaz dans nos forêts, nos océans, et nos sols.