De nouveaux matériaux catalytiques pour la fabrication de carburants solaires

Posté le 10 mai 2019
par Arnaud Moign dans Énergie

Les travaux sur les carburants solaires ne datent pas d’hier, tant ces carburants présentent un fort intérêt sur les plans énergétique et écologique, mais les technologies de production ne sont pas encore matures sur le plan industriel. Ceci va peut-être changer prochainement, car une équipe de chercheurs vient de développer de nouveaux matériaux photocatalytiques capables de capter le rayonnement solaire de manière bien plus efficace que les matériaux actuels.

On appelle « carburant solaire » un carburant synthétique conçu par captation du CO2 de l’air. Le CO2, combiné à de l’eau est ensuite transformé en hydrogène et monoxyde de carbone puis en hydrocarbures à chaîne longue utilisables dans les moteurs. Ce carburant est ainsi qualifié de « solaire », car l’énergie solaire est utilisée comme ressource inépuisable pour « casser » la très résistante double liaison C=O (750 kJ.mol−1). Par conséquent, alors que les émissions de CO2 ne cessent de s’intensifier, on comprend bien l’intérêt du monde de la recherche pour ce sujet.

Le problème de l’empreinte au sol

La communauté scientifique travaille d’arrache-pied au développement de la conversion du CO2 et H2O en O2 et hydrocarbures, par des procédés photocatalytiques c’est-à-dire, en quelque sorte, à la reproduction du processus naturel de photosynthèse. Si les études montrent que cela fonctionne à l’échelle du laboratoire, l’un des plus grands défis concerne l’empreinte au sol de tels dispositifs à l’échelle industrielle. En effet, les photocatalyseurs « classiques » sont des réacteurs bidimensionnels utilisant des couches minces. Une production massive de carburant solaire par ce procédé empiéterait donc considérablement sur la disponibilité de terres non cultivables, une ressource limitée, contrairement à l’énergie solaire.

La solution : des matériaux photoactifs tridimensionnels

Pour résoudre ce problème, le Centre de recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) s’est associé à l’organisme public de recherche IFP Énergies Nouvelles. La solution qu’ils ont développée ensemble consiste à remplacer le catalyseur en couche mince par un catalyseur tridimensionnel. Pour cela, ils ont élaboré un matériau monocellulaire agissant comme une éponge photonique : en augmentant considérablement la pénétration de photons au cœur de la structure, ce nouveau matériau concentre ainsi la génération sélective de combustibles comme l’éthane ou le méthane.

Une mousse monolithique élaborée par HIPE

La synthèse de ce matériau requiert plusieurs étapes. Tout d’abord, une mousse à base de silicium a été élaborée par le procédé HIPE (high internal phase emulsion). Puis cette mousse a servi de support à la nucléation hétérogène de nanoparticules de TiO2 et le matériau a été fritté à 400°C pendant une heure pour conduire à la formation d’un matériau monolithique macroporeux.

Les chercheurs ont ensuite testé l’activité photocatalytique de ce matériau. Ils ont ainsi mis en évidence son caractère multidiffusif, les photons restant emprisonnés au milieu de celui-ci. Il en résulte une limitation des réactions non désirées, ce qui favorise la production de méthane (jusqu’à 80%) et d’éthane (18%), deux carburants facilement exploitables.

Des applications dans tous les domaines utilisant des systèmes photoactifs

Le procédé de préparation d’un monolithe à porosité multimodale ainsi que le procédé de réduction catalytique associé ont d’ores et déjà fait l’objet de brevets. Par ailleurs, la solution développée par l’équipe de chercheurs pourrait annoncer l’arrivée d’une nouvelle génération de systèmes photoactifs 3D. Photovoltaïque, photopurification de l’air ou encore photoprotéolyse font ainsi partie des applications potentielles.

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