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...) 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...) 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...). 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...) 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...) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) dérivé qui convertit le monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) en éthanol consiste en un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) continu de nanocristaux de cuivre. Le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) 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...) et pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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...) 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...), 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...)

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...) 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...) 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...) et d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). 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...) renouvelables, comme l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) et éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être...), 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...) 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...) 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...) 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, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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...) 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...) 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...) 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 (Un oxyde de carbone est un composé chimique constitué d'une combinaison d'atomes de...), 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...) 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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