Émissions cycliques – Créer du méthane à partir du dioxyde de carbone

Un nouveau procédé qui permet aux scientifiques de créer du méthane à partir du dioxyde de carbone pourrait révolutionner le marché, permettant aux fabricants de créer des systèmes de carbone en boucle fermée. Le procédé utilise l’électrochimie et des modèles mathématiques avancés pour convertir directement le CO₂ capturé en méthane utile. Voici ce que vous devez savoir.

Systèmes de capture du carbone

Le concept de capture du carbone est devenu plus populaire au cours des cinq dernières années. Ces systèmes retirent le CO2 de l’atmosphère et le stockent. Il existe de nombreuses façons dont les ingénieurs ont accompli cette tâche. La plupart utilisent une réaction chimique pour isoler le CO2 des autres gaz, puis le convertir en d’autres produits chimiques ayant de la valeur.

Ces concepts se sont avérés efficaces mais sont encore à leurs débuts, la plupart restant coûteux et manquant d’évolutivité. Pour que cette technologie ait un réel impact, il faudra l’amener à l’échelle industrielle, afin qu’elle puisse offrir les meilleurs résultats pour la communauté.

Processus à plusieurs étapes

Un autre obstacle majeur aux formes les plus courantes de capture du carbone aujourd’hui est qu’elles peuvent nécessiter plusieurs étapes. Chaque étape peut prendre du temps et requérir des processus très spécifiques. Dans la plupart des cas, la première étape consiste à capturer et collecter le CO2. À partir de là, chaque système exécute son processus pour achever la conversion. Chaque réaction chimique augmente le temps, la complexité et les coûts globaux.

Produits chimiques dangereux

Bon nombre des options de capture du carbone les plus populaires sur le marché aujourd’hui reposent sur des réactions chimiques. Ces systèmes génèrent des sous‑produits nocifs qui atténuent quelque peu les avantages. Les produits chimiques dangereux doivent être stockés, transportés et éliminés de manière spécifique, ce qui augmente le coût global par livre de carbone capturé.

Étude sur les émissions cycliques

Une étude récente publiée dans le Journal of the American Chemical Society intitulée « Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts »¹ explore une nouvelle méthodologie qui réduit les besoins énergétiques et pourrait être auto‑alimentée. L’étude décrit une méthode qui convertit le CO2 en méthane de manière sûre.

Source – Journal of the American Chemical Society

Cette avancée représente une étape majeure, car le dioxyde de carbone est l’un des principaux sous‑produits de la combustion du méthane. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à créer une boucle carbone fermée. Ce terme désigne un système capable de réutiliser ses sous‑produits pour poursuivre ses opérations. Plus précisément, l’article détaille comment ils ont réussi à convertir le carbamate en méthane.

Dans l’article, le CO2 a été capturé à l’aide d’une solution de lavage à base d’amines. Le carbamate a ensuite été introduit dans un catalyseur à base de nickel, qui présentait des atomes de nickel disposés selon un motif spécifique basé sur des modèles mathématiques avancés.

Test des émissions cycliques

Pour vérifier si la conversion était complète, les ingénieurs ont utilisé divers outils de recherche de pointe, dont une spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et une microscopie électronique (EM). Ces appareils ont montré que la conversion était réussie et que le CO2 était transformé en méthane.

Les ingénieurs ont exploité les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) dans le cadre de leur approche. Ces modèles leur ont permis de mieux prédire en cartographiant la meilleure disposition et répartition des électrons. De plus, ils ont intégré un modèle d’électrode hydrogène computationnelle (CHE) pour calculer les énergies libres des réactions. Ce modèle a également été essentiel pour déterminer les étapes exactes de transfert d’électrons couplé aux protons impliquées dans chaque réaction.

Résultats des émissions cycliques

Les résultats ont démontré que le nickel à atome unique (Ni) dispersé sur de l’or (Au) a produit du CH4 comme produit principal. Ils ont montré que l’équipe a réussi à convertir le CO2 en méthane et à suivre chaque étape du processus. L’objectif maintenant est d’améliorer l’efficacité afin de maximiser la production d’énergie de chaque boucle fermée.

Avantages des émissions cycliques

Cette recherche apporte plusieurs avantages au marché. Tout d’abord, la nouvelle méthode simplifie la capture et la conversion du carbamate en un produit utile, le méthane. Le processus est rapide et ne génère pas de sous‑produits nocifs ou inutiles. De plus, il ne nécessite pas d’énormes quantités d’électricité.

Faible énergie

Selon les chercheurs, cette nouvelle méthode offre les exigences énergétiques les plus faibles possibles pour ceux qui recherchent la capture et la conversion du carbone. Les réactions électrochimiques sont efficaces et moins coûteuses que les alternatives et peuvent être réalisées sur site.

Processus en une seule étape

Un autre avantage de cette nouvelle méthode de capture et de conversion du carbone est qu’elle combine toutes les étapes en un seul processus. De manière unique, le carbone est capturé et converti en une seule étape. Cette approche réduit la complexité, améliore la stabilité et offre une transparence bien plus grande.

Chercheurs

Tomaz Neves-Garcia a dirigé l’étude menée à l’Ohio State University. De plus, Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li et Hailiang Wang de l’Université de Yale sont répertoriés comme co‑auteurs de l’étude. L’équipe cherche maintenant à mettre à l’échelle son procédé pour servir le secteur industriel.

Entreprises qui pourraient bénéficier de la recherche sur les émissions cycliques

Plusieurs entreprises pourraient améliorer leurs résultats si elles intègrent cette recherche dans leurs modèles commerciaux. Ces sociétés opèrent déjà dans l’écosystème de la capture du carbone ou du gaz naturel et ont investi beaucoup d’énergie et d’efforts pour créer des produits uniques afin de servir ce marché.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) a été fondée à Detroit, Michigan, en 1940 par un entrepreneur local nommé Leonard Parker Pool. À l’époque, l’entreprise se concentrait sur la fabrication de petits générateurs destinés à la Seconde Guerre mondiale. Après la fin de la guerre, la société s’est engagée à élargir son offre et ses produits.

Au cours des 80 dernières années, Air Products and Chemicals Inc. est devenue un fournisseur de gaz reconnu mondialement. L’entreprise possède une histoire dynamique aux États‑Unies et sur les marchés internationaux. Son orientation vers le service et une clientèle d’entreprise de grande envergure a aidé la société à obtenir d’importants retours et à développer ses activités.

Air Products and Chemicals Inc. a reçu de nombreuses distinctions au cours de son parcours pour devenir l’une des options les plus populaires auprès des fabricants recherchant du gaz méthane. En 2008, elle a été inscrite sur l’indice Dow Jones Sustainability North America comme une action parmi les meilleures performances.

Aujourd’hui, APD affiche de solides gains cumulés depuis le début de l’année grâce à une combinaison de facteurs, dont les avancées de ses processus, une gestion d’entreprise intelligente et l’augmentation de l’utilisation du méthane. Si APD pouvait intégrer cette technologie dans son modèle commercial, elle pourrait réduire considérablement les coûts de fabrication. Actuellement, la capitalisation boursière d’APD s’élève à 73,961 milliards de dollars et elle montre des gains positifs pour l’année.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

L’entreprise canadienne de réduction d’impact chimique, Delta CleanTech Inc., est entrée sur le marché dans le but d’améliorer la technologie de capture du carbone existante. La société a rapidement gagné en notoriété grâce à ses caractéristiques et services uniques. Les entreprises peuvent exploiter l’expertise de Delta CleanTech pour réduire leur CO2 et d’autres émissions nocives.

L’entreprise propose aujourd’hui plusieurs produits impactants. Par exemple, le Delta Reclaimer permet aux sociétés de purifier les solvants. De plus, l’entreprise propose actuellement un produit appelé MethanatorRX qui peut décomposer le méthane en produits inoffensifs en toute sécurité. L’entreprise offre également un service CarbonRX qui permet aux entreprises de maximiser l’utilisation de leurs crédits carbone.

Autres systèmes de capture du carbone à connaître

Heureusement, les chercheurs de l’Ohio State à l’origine de l’étude sur les émissions cycliques ne sont pas seuls dans leur quête de sauver l’environnement en réduisant le CO2. Voici d’autres méthodes intéressantes qui ont le potentiel de réduire considérablement les émissions de CO2 à l’avenir.

Réacteur électrochimique

Une équipe d’ingénieurs dirigée par la RICE University a présenté le tout premier dispositif de capture directe de l’air à température ambiante au monde. Ce réacteur peut capturer le carbone de l’air sans laisser de sous‑produits. À l’instar de l’équipe de l’OSU, leur procédé électrochimique élimine les sorbants à base d’amines tels que l’hydroxyde de sodium et de potassium.

Curieusement, le sous‑produit de ce procédé s’est avéré être de l’hydrogène, un autre produit chimique très utile qui peut alimenter les mêmes processus. De plus, l’élimination de la chaleur et des produits chimiques supplémentaires améliore la durabilité de cette approche et la rend universellement applicable.

Avenir

L’avenir de la technologie de capture du carbone est prometteur. Ces systèmes sont désormais sous les feux de la rampe dans la lutte contre la pollution. L’approche unique de l’équipe et sa capacité à créer du méthane à partir du CO2 sont révolutionnaires à bien des égards. D’une part, cela aide les scientifiques à mieux comprendre les avantages et les inconvénients des systèmes en boucle fermée et comment améliorer ces aspects pour optimiser les performances.

Conclusion des émissions cycliques

Il faut reconnaître le mérite à l’équipe de l’OSU derrière cette recherche. Les scientifiques rêvent de boucler le cycle du carbone d’une manière qui pourrait être bénéfique pour tous. Désormais, votre pollution pourrait être recyclée en énergie, et le cycle des émissions commence. Ainsi, on peut s’attendre à une attention accrue sur la capture du CO2, parallèlement aux politiques et campagnes de réduction thermique.

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Référence de l’étude :

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Capture intégrée du dioxyde de carbone par les amines et conversion en méthane sur des catalyseurs de nickel à atome unique. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}