Membranes sélectives d’ions dans l’électrolyse du CO2

Par: Johnny Kung

29 Juil, 2019

29 juillet 2019

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 CO₂qui 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 Cunningham, Directrice, innovation.

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