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  • Énergie solaire bio-inspirée

Membranes sélectives d'ions dans l'électrolyse du CO2

juil. 29 / 19

Une stratégie prometteuse pour atténuer les effets des émissions de CO2 sur l'environnement consiste à utiliser la réduction chimique pour convertir le CO2 en molécules à haute valeur ajoutée comme le méthanol et l'éthylène. Ces produits à valeur commerciale pourraient contribuer à assurer la viabilité économique du déploiement de technologies de captage et de conversion du carbone pour compenser les émissions de CO2, tout en réduisant la dépendance aux sources d'énergie fossiles pour obtenir du carburant et des produits pétrochimiques. La membrane sélective d'ions est un composant clé qui doit être optimisé pour obtenir des dispositifs de réduction de CO2 efficaces et stables, car elle ne répond pas actuellement aux spécifications des applications industrielles.

Le 15 mai 2019, le CIFAR a organisé une table ronde afin de discuter de l'évolution des membranes sélectives d'ions pour les électrolyseurs de CO2. Cet atelier a réuni des leaders de l'électrochimie, de la chimie des polymères et de la recherche énergétique, dont des boursiers du programme Énergie solaire bio-inspirée du CIFAR, ainsi que des experts d'autres établissements universitaires, de laboratoires nationaux et d'entreprises. Au cours de brèves présentations et de discussions dirigées, les participants ont exploré un certain nombre de propriétés des membranes polymères qui pourraient être optimisées, notamment la chimie, la conductivité, la stabilité et la perméabilité. Il s'agissait de la première d'une série de rencontres consacrées à l'élaboration d'une feuille de route qui mise sur les membranes, les catalyseurs et les autres technologies pertinentes pour la recherche et le développement de systèmes commerciaux de réduction du CO2.

Parties prenantes cibles

  • Développeurs d'électrolyseurs de carbone commerciaux 
  • Laboratoires nationaux sur l'énergie et les matériaux
  • Fabricants de membranes polymères
  • Entreprises énergétiques s'intéressant au captage et à la conversion du carbone, à la production de combustibles neutres ou négatifs en carbone et au stockage d'énergies renouvelables intermittentes 
  • Responsables de politiques publiques sur l'énergie et le climat

Résultats clés

  • La composition chimique et physique des polymères qui forment les membranes électrolytiques affecte les propriétés des membranes telles que la conductivité ionique, la diffusion des réactifs et des produits et la résistance mécanique, ce qui a un impact important sur l'efficacité des dispositifs de réduction du CO2.
  • Les principaux problèmes associés à l'optimisation des membranes, tels que le croisement de produits, la conductivité, la stabilité (en milieu alcalin ou à température moyenne-élevée) et la gestion de l'eau, sont intrinsèquement liés. C'est pourquoi il convient d'adopter une approche systémique plutôt que de s'attaquer à chaque problème isolément. D'autres facteurs doivent être pris en compte lorsque le système passe du stade expérimental à sa fabrication industrielle, notamment la pureté de la source de CO2et le coût de séparation des produits souhaités des sous-produits.
  • En raison des faibles solubilité et diffusibilité du CO2 dans les électrolytes aqueux, l'utilisation d'électrodes à diffusion gazeuse permettrait d'augmenter l'efficacité de l'électrolyse du CO2. Les dispositifs expérimentaux actuels de réduction du COqui sont alimentés au gaz ont atteint de fortes densités de courant, mais il sera important de mieux caractériser la zone de triple contact (l'interface des réactifs en phase gazeuse, de l'électrolyte aqueux et des polymères et catalyseurs solides) dans ces dispositifs.
  • Les coûts de l'électrolyse du CO2 sont relatifs au rendement de Faraday (la sélectivité de la réduction du CO2 par rapport au produit souhaité), à l'efficacité énergétique (la quantité d'énergie stockée dans le produit souhaité) et au prix de l'électricité, entre autres facteurs. Dans les conditions actuelles, les produits à deux électrons (molécules résultant de la conversion du CO2 qui nécessitent deux électrons, comme le CO et le formiate) peuvent être rentables.
  • La transformation des dispositifs électrolytiques en vue d'une utilisation industrielle nécessitera des normes ou un cadre de référence permettant aux chercheurs de comparer leurs membranes expérimentales. Les fabricants industriels ont la capacité de produire de grandes quantités de membranes afin de réduire la variabilité d'un lot à l'autre, mais ils auront besoin d'un marché où la demande sera suffisante pour justifier des investissements.

Priorités et prochaines étapes

  • L'électrolyse du CO2 peut tirer profit des recherches menées sur les membranes depuis des décennies dans le secteur des piles à combustible. Toutefois, il peut être difficile de transférer directement les connaissances d'un domaine à l'autre, notamment en raison du fait que la conception de piles à combustible n'a qu'un seul but, alors que les électrolyseurs de CO2 ont plusieurs produits ou objectifs.
  • Une étude continue des réactions d'électroréduction du CO2 sera nécessaire pour caractériser entièrement les radicaux et autres composés intermédiaires mineurs ou exotiques ainsi que leurs effets sur la dégradation des membranes.
  • Les électrochimistes devraient collaborer avec des spécialistes des membranes pour en arriver à une conception optimale des membranes électrolytiques, par exemple, en précisant les paramètres de performance des électrolyseurs que les spécialistes des membranes doivent atteindre.
  • Les chercheurs et les acteurs de l'industrie doivent maintenir un dialogue étroit afin de définir les normes et le cadre de référence relatifs aux membranes électrolytiques. Les gouvernements et les autres bailleurs de fonds peuvent jouer un rôle important en fournissant les ressources nécessaires à l'augmentation de la production et à l'établissement de normes industrielles.

Participants à la table ronde

  • Shane Ardo, Université de Californie à Irvine
  • Chulsung Bae, Rensselaer Polytechnic Institute
  • Bamdad Bahar, Xergy Inc.
  • Curtis Berlinguette, Université de Colombie-Britannique / CIFAR
  • Phil De Luna, Conseil national de recherches Canada
  • Todd Deutsch, National Renewable Energy Laboratory
  • Jonathan Edwards, Université de Toronto
  • Christine Gabardo, Université de Toronto
  • Claire Hartmann-Thompson, 3M
  • Michael Hickner, Université d'État de Pennsylvanie
  • Winston Ho, Université d'État de l'Ohio
  • Steven Holdcroft, Université Simon Fraser
  • Shaffiq Jaffer, Total / CIFAR
  • Feng Jiao, Université du Delaware
  • Kendra Kuhl, Opus-12
  • Tom Mallouk, Université de Pennsylvanie / CIFAR
  • Kenneth Neyerlin, National Renewable Energy Laboratory
  • Peter Pintauro, Université Vanderbilt
  • Angelica Reyes, Université de Colombie-Britannique
  • Danielle Salvatore, Université de Colombie-Britannique
  • Ted Sargent, Université de Toronto / CIFAR
  • Stafford Sheehan, The Air Company
  • Ken Shi, Conseil national de recherches Canada
  • Lihui Wang, Opus-12
  • Joshua Wicks, Université de Toronto
  • Zhifei Yan, Université de Pennsylvanie
  • Fan Yang, Giner Inc.

Lectures complémentaires

Un nouveau catalyseur transforme les gaz à effet de serre en hydrocarbures renouvelables (nouvelle sur une récente recherche du laboratoire de Ted Sargent, directeur du programme Énergie solaire bio-inspirée)
Conversion solaire du CO2 en CO à l'aide d'électrocatalyseurs terrestres abondants préparés par la modification de couches atomiques de CuO (résumé de recherche)


Pour de plus amples renseignements, communiquez avec : Fiona CunninghamDirectrice, innovation.