Chimie

Et si le CO2 pouvait nous être utile ?

Milan VANDER WEE-LÉONARD • milan.vdwl@gmail.com

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Des scientifiques du MIT (Massachusetts Institute of Technology) ont mis au point une nouvelle électrode pour convertir du dioxyde de carbone en ressources utiles (1). De tels systèmes sont en développement en vue de capturer le CO2, gaz à effet de serre dégagé par l’activité humaine, tout en le valorisant pour produire des matériaux utiles, comme du plastique ou du carburant 

L’éthylène (C2H4), un composé chimique simple mais essentiel, joue un rôle central dans l’industrie moderne. Il est à la base de nombreux produits tels que les plastiques (comme le polyéthylène) ou les solvants. Chaque année, près de 158 millions de tonnes d’éthylène sont produites dans le monde, principalement à partir d’hydrocarbures fossiles comme le gaz naturel et le naphta (2), par un procédé appelé vapocraquage. Cependant, cette production massive a un coût environnemental élevé. Non seulement elle repose sur des ressources non renouvelables, mais elle génère aussi d’importantes émissions de gaz à effet de serre (GES).

Face à ces enjeux, les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment mis au point une technologie innovante pour produire de l’éthylène à partir de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O). Cette avancée, décrite dans leur article publié dans Nature Communications, représente une étape majeure vers la décarbonation de l’industrie chimique.

L’électrochimie au cœur de l’innovation

Transformer le CO2 en produits utiles est un objectif à la fois ambitieux et stratégique. L’électrolyse, qui repose sur des réactions provoquées par un courant électrique, offre une voie prometteuse pour y parvenir. Cependant, les procédés électrochimiques actuels présentent plusieurs limitations au niveau des électrodes (3): durabilité restreinte, conductivité faible et infiltration d’électrolytes (4).

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs du MIT ont conçu une nouvelle électrode hybride composée de fils de cuivre intégrés dans une fine membrane de PTFE (polytétrafluoroéthylène – «Téflon» (5)). Ce matériau est non seulement hydrophobe, mais aussi extrêmement résistant, ce qui permet de réduire l’infiltration d’électrolyte tout en maintenant une conductivité élevée.

Lors des tests en laboratoire, cette nouvelle électrode a fonctionné de manière continue pendant plus de 75 h sans perte significative de performance, ce qui est un résultat inhabituel dans ce domaine. De plus, les chercheurs ont produit des électrodes d’une taille 10 fois supérieure à celles utilisées communément en laboratoire, ouvrant ainsi la voie à une éventuelle mise à l’échelle industrielle. Cette capacité à augmenter les dimensions des dispositifs tout en maintenant leur efficacité est cruciale pour rendre cette technologie viable commercialement. L’équipe a également mesuré un rendement énergétique amélioré dans la conversion du CO2 en éthylène.

Objectif: une industrie chimique décarbonée

Si cette technologie parvient à être adoptée à grande échelle, elle pourrait transformer l’industrie chimique en réduisant considérablement sa dépendance aux ressources fossiles et ses émissions de CO2. En utilisant des sources d’énergie renouvelables pour alimenter les procédés électrochimiques, il serait possible de produire de l’éthylène de manière presque neutre en carbone. De plus, les applications potentielles d’une telle technologie vont au-delà de l’éthylène. Le CO2 pourrait être converti en une gamme étendue de produits chimiques utiles, comme des carburants synthétiques ou d’autres composés organiques.

Les prochaines étapes consisteront à optimiser ces procédés et étudier leur viabilité économique à grande échelle. Si ces obstacles sont surmontés, cette approche pourrait révolutionner la façon dont nous percevons et utilisons le CO2, le transformant d’une contrainte environnementale en une ressource précieuse pour un avenir plus vert.

DO IT YOURSELF !

Ici, je t’invite à découvrir la technique de l’électrolyse avec une molécule bien connue: l’eau. Cette réaction électrochimique est une des clés de la transition que notre société opère actuellement.

1) Perce le fond d’un gobelet en plastique transparent par le dessous avec 2 punaises uniquement composées de métal. La distance entre les 2 trous doit correspondre à 13 mm. Les punaises serviront d’électrodes.

2) Ajoute une cuillère à café de bicarbonate de soude (NaHCO3) dans le gobelet et dissous cela avec 100 mL d’eau. Le «bica» servira d’électrolyte.

3) Soulève le gobelet et place dessous une pile de 9 V (une pile «rectangulaire») avec les bornes contre les punaises.

4) Observe ce qu’il se passe à chaque électrode. Quelle différence constates-tu entre les bornes ? Comment interpréter cela ? Quels sont les produits de l’électrolyse de l’eau ? 

Pars de sa formule chimique pour déterminer quel produit est formé à quelle électrode… Tu trouveras des éléments de réponses ci-dessous ! 

L’électrolyse de l’eau provoque son clivage en 2 molécules gazeuses: l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2). En écrivant l’équation chimique de cette transformation, on observe qu’il y a 2 fois plus d’hydrogène qui devrait être produit par rapport à la quantité d’oxygène (loi d’Avogadro). Effectivement, tu as dû le remarquer, il y avait une borne avec plus de bulles que l’autre.

2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

C’est à la borne positive de la pile qu’il y avait le moins de gaz, et donc l’O2. À cette électrode, c’est l’oxydation (6) de l’eau que tu as observée. Les protons (H+) de l’eau se dirigent alors vers la borne négative de la pile pour subir la réduction (7) et devenir du H2.

L’électrolyse de l’eau permet in fine de stocker le surplus d’électricité «renouvelable» produit sous forme chimique, méthode plus durable dans le temps que les batteries. Par la suite, l’hydrogène et l’oxygène sont recombinés dans des piles à combustibles (8) pour générer un courant électrique.

(1) S. Rufer, Nat. Commun. 2024, 15, 9429 (    https://doi.org/10.1038/s41467-024-53523-8).

(2) Le naphta est un liquide transparent composé d’hydrocarbures issu de la distillation du pétrole.

(3) Une électrode est un conducteur d’électricité sur lequel une réaction électrochimique peut avoir lieu.

(4) Un électrolyte rend une solution aqueuse conductrice grâce à la présence d’ions.

(5) Le Téflon est une marque déposée pour un polymère possédant une grande inertie chimique et un très grand pouvoir anti-adhésif. Il est notamment à l’origine du succès des poêles Tefal®.

(6) L’oxydation d’une substance est une réaction où des électrons lui sont extraits.

(7) La réduction d’une substance est une réaction où des électrons lui sont ajoutés.

(8) Une pile à combustibles est une pile alimentée par des réservoirs de réactifs permettant une réduction et une oxydation. Ces réactions chimiques génèrent un courant électrique en continu.

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