Découverte: fabrication d'éthanol en abondance et bon marché
Publié par Publication le 11/04/2014 à 12:39
Des scientifiques de Stanford ont créé un catalyseur à base de cuivre qui produit de grandes quantités d'éthanol à partir de gaz de monoxyde de carbone à la température ambiante sans maïs ou autres plantes.

Les scientifiques de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Stanford ont trouvé une nouvelle façon, très efficace pour produire de l'éthanol liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à partir de de monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la...). Cette découverte prometteuse pourrait offrir une alternative écologique à la production d'éthanol à partir du maïs (Le maïs (aussi appelé blé d’Inde au Canada) est une plante tropicale herbacée annuelle de la famille des Poacées, largement cultivée comme...) conventionnel et d'autres cultures, disent les scientifiques. Leurs résultats sont publiés dans l'édition en ligne du 9 avril de la revue Nature .


Un nouveau catalyseur à base d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et...) dérivé qui convertit le monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) en éthanol consiste en un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) continu de nanocristaux de cuivre. Le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des...) pourrait fournir une alternative écologique à la production d'éthanol à partir du maïs conventionnel. (Image: Matthew Kanan)

"Nous avons découvert le premier catalyseur métallique qui peut produire des quantités appréciables d'éthanol à partir de monoxyde de carbone à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) et pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ambiante, une réaction électrochimique notoirement difficile", a déclaré Matthew Kanan , professeur adjoint de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles...) à Stanford et co-auteur de l'article paru dans  Nature. Vous obtenez le même carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie...), en principe, il pourrait être beaucoup moins cher et plus efficace a fabriquer que le principe à partir de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. ...)

La plupart de l'éthanol est aujourd'hui produit à haute température dans des installations de fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme...) qui transforment chimiquement le maïs, la canne à sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un composé...) et d'autres plantes en carburant liquide. Mais de plus en plus des cultures pour les biocarburants nécessitent des milliers d'hectares de terres et de grandes quantités d'engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments d'éléments nutritifs, de façon à améliorer...) et d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Dans certaines parties des États-Unis, il faut plus de 800 litres d'eau pour faire pousser un boisseau de maïs, qui, à son tour, donne environ 3 litres d'éthanol.

Les scientifiques ont créé un catalyseur à base de cuivre qui est très efficace pour produire de l'éthanol et d'autres composés du carbone à partir de monoxyde de carbone et de l'eau dans une simple réaction chimique. Ils préconisent que le processus, pourrait être alimenté par des sources d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) renouvelables, comme l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à...) et éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur).), et serait une alternative à la production de biocarburants traditionnels.

La nouvelle technique développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des...) par le professeur Kanan et Christina Li diplômée de Stanford ne nécessite pas de fermentation et à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une...) pourrait contribuer à résoudre beaucoup des problèmes fonciers et d'utilisation de l'eau autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la production d'éthanol aujourd'hui. "Notre étude démontre la faisabilité de la production d'éthanol par électrocatalyse", a déclaré Kanan. "Mais nous avons encore beaucoup de travail à faire pour que le dispositif soit pratique."

Les chercheurs envisagent un processus en deux étapes dans lequel le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule...) est d'abord converti en monoxyde de carbone en utilisant soit des processus existants ou à plus haut rendement énergétique en cours de développement. Ensuite, le monoxyde de carbone est converti en éthanol ou d'autres composés à base de carbone par voie électrochimique.

Nouvelles Électrodes

Il y a deux ans, Kanan et Li ont créé une nouvelle électrode constituée d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) qu'ils ont appelé oxyde de cuivre dérivé. Ils ont utilisé le terme "oxyde dérivé" parce que l'électrode métallique a été produit à partir d'oxyde de cuivre.
"Les Électrodes de cuivre classiques sont constituées de nanoparticules individuelles qui sont juxtaposées l'une au-dessus de l'autre", a déclaré Kanan. "l'Oxide dérivé de cuivre, est fait de nanocristaux de cuivre qui sont tous reliés entre eux dans un réseau continu avec des jonctions bien définies. Le processus de transformation de l'oxyde de cuivre en cuivre métallique crée un réseau de nanocristaux."

Kanan et Li ont construit une cellule électrochimique, un dispositif constitué de deux électrodes placées dans de l'eau saturée avec du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) de monoxyde de carbone. Lorsqu'une tension (La tension est une force d'extension.) est appliquée entre les électrodes d'une cellule classique, un courant circule et l'eau est convertie en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) à une électrode (l'anode) et l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à l'autre électrode (la cathode). Le défi était de trouver une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du...) qui permettrait de condenser le monoxyde de carbone en éthanol au lieu de transformer l'eau en hydrogène.

Dans  l'expérience, Kanan et Li ont utilisé une cathode faite d'oxyde de cuivre-dérivé. Quand une petite tension a été appliquée, les résultats ont été spectaculaires.

"L'oxyde de cuivre dérivé a produit de l'éthanol et de l'acétate avec 57 pour cent d'efficacité, a déclaré Kanan. "Cela signifie que 57 pour cent du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) est allé dans la production de ces deux composés à partir de monoxyde de carbone. Nous sommes très heureux car cela représente une augmentation de plus de 10 fois de l'efficacité sur des catalyseurs de cuivre classiques. Nos modèles suggèrent que le réseau nanocristallin dans l'oxyde cuivre dérivé était essentiel pour la réalisation de ces résultats. "

Émission de Carbone neutre

L'équipe de Stanford a commencé à chercher des méthodes pour créer d'autres combustibles et améliorer l'efficacité globale du processus. "Dans cette expérience, l'éthanol est le produit majeur", a déclaré Kanan." Le Propanol serait en fait un carburant de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) plus élevée que l'éthanol, mais en ce moment il n'y a pas de moyen efficace de le produire."
Au cours des essais, Kanan et Li et ont trouvé qu'un catalyseur d'oxyde de cuivre dérivé légèrement modifié produisant du propanol avec 10 pour cent d'efficacité. L'équipe travaille à améliorer le rendement de propanol en améliorant davantage la structure du catalyseur.

Pour que le processus soit neutre en carbone, les scientifiques devront trouver une nouvelle façon de fabriquer du monoxyde de carbone à partir d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables sont...) au lieu de combustibles fossiles, la principale source d'aujourd'hui. Kanan envisage de prendre le dioxyde de carbone (CO 2 ) à partir de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) pour produire du monoxyde de carbone, ce qui, à son tour, pourra être introduit dans un catalyseur de cuivre pour produire du combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la...) liquide. Le CO 2 qui est libéré dans l'atmosphère lors de la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) de carburant serait réutilisé pour faire plus de monoxyde de carbone et plus de carburant donnant ainsi une boucle fermée, un processus sans émissions.

"La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) existe déjà pour la conversion de CO 2 en oxyde de carbone, mais la pièce manquante était la conversion efficace de monoxyde de carbone pour un combustible liquide à haut rendement, facile à stocker et non toxique", dit Kanan. " Avant notre étude, il y avait le sentiment que personne ne pourrait réduire efficacement par catalyseur le monoxyde de carbone à l'état liquide. Nous avons trouvé une solution à ce problème qui est fait de cuivre, qui est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...) pas cher et abondant. Nous espérons que nos résultats inspireront d'autres personnes pour travailler sur notre système ou développer un nouveau catalyseur qui convertit le monoxyde de carbone en combustible ".

Il faudra encore quelques années de recherches pour savoir si un dispositif basé sur cette chimie serait commercialement viable. Mais si on arrive à perfectionner le système cela pourrait fournir une incitation économique afin d'éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère. 

Référence:

"Electroreduction of carbon monoxide to liquid fuel on oxide-derived nanocrystalline copper"; Christina W. Li,
Jim Ciston et Matthew W. Kanan; Nature, 9 april 2014.
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