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 de Stanford ont trouvé une nouvelle façon, très efficace pour produire de l'éthanol liquide à partir de de monoxyde de carbone. Cette découverte prometteuse pourrait offrir une alternative écologique à la production d'éthanol à partir du maïs conventionnel et d'autres cultures, disent les scientifiques. Leurs résultats sont publiés dans l'édition en ligne du 9 avril de la revue Nature.

"Nous avons découvert le premier catalyseur métallique qui peut produire des quantités appréciables d'éthanol à partir de monoxyde de carbone à température et pression ambiante, une réaction électrochimique notoirement difficile", a déclaré Matthew Kanan , professeur adjoint de chimie à Stanford et co-auteur de l'article paru dans  Nature. Vous obtenez le même carburant, en principe, il pourrait être beaucoup moins cher et plus efficace a fabriquer que le principe à partir de la biomasse"

La plupart de l'éthanol est aujourd'hui produit à haute température dans des installations de fermentation qui transforment chimiquement le maïs, la canne à sucre 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 et d'eau. 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 renouvelables, comme l'énergie solaire et éolienne, et serait une alternative à la production de biocarburants traditionnels.

La nouvelle technique développée par le professeur Kanan et Christina Li diplômée de Stanford ne nécessite pas de fermentation et à grande échelle pourrait contribuer à résoudre beaucoup des problèmes fonciers et d'utilisation de l'eau autour 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 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 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 de monoxyde de carbone. Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes d'une cellule classique, un courant circule et l'eau est convertie en oxygène à une électrode (l'anode) et l'hydrogène à l'autre électrode (la cathode). Le défi était de trouver une cathode 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 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 d'énergie 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 au lieu de combustibles fossiles, la principale source d'aujourd'hui. Kanan envisage de prendre le dioxyde de carbone (CO²) à partir de l'atmosphère pour produire du monoxyde de carbone, ce qui, à son tour, pourra être introduit dans un catalyseur de cuivre pour produire du combustible liquide. Le CO² qui est libéré dans l'atmosphère lors de la combustion 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 existe déjà pour la conversion de CO² 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 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.