La catalyse à énergie double ouvre de nouvelles voies pour le recyclage du carbone

La conversion du dioxyde de carbone en carburants et produits chimiques utilisant des énergies renouvelables représente une voie prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et recycler le carbone. Cependant, la stabilité des molécules de CO2 rend leur activation à la fois énergivore et inefficace lorsqu'elle repose sur une seule source d'énergie. Des recherches récentes mettent en lumière la puissance du couplage de multiples sources d'énergie - telles que la lumière avec la chaleur, l'électricité avec la chaleur, ou le plasma avec l'énergie thermique - pour générer des effets synergiques qui améliorent l'efficacité, la sélectivité et la stabilité.

Une équipe de recherche de l'Université de Technologie Avancée de Shenzhen et de collaborateurs a publié une revue complète (DOI:10.1016/j.esci.2024.100306) sur les systèmes catalytiques couplés à l'énergie synergétique pour la réduction du CO2. L'article est paru en ligne en mai 2025 dans eScience. La revue examine comment l'intégration des énergies thermiques, photoniques, électriques et plasmatiques dans les systèmes catalytiques crée des effets synergiques qui améliorent significativement l'efficacité de conversion du CO2.

La réduction du dioxyde de carbone est centrale pour atteindre la neutralité carbone, mais elle reste entravée par des liaisons chimiques fortes et une cinétique de réaction lente. Les approches catalytiques conventionnelles - incluant la thermocatalyse, la photocatalyse, l'électrocatalyse et la catalyse plasma - ont réalisé des progrès importants mais font face à des limitations telles que la consommation énergétique élevée, la faible sélectivité ou les rendements de produits insuffisants.

La revue catégorise les systèmes couplés à l'énergie en approches photothermiques, électrothermiques et plasma-thermiques. La catalyse photothermique combine la lumière et la chaleur, maximisant l'utilisation du spectre solaire tout en réduisant les demandes énergétiques élevées de la thermocatalyse autonome. Les systèmes électrothermiques utilisent le chauffage résistif des courants électriques pour accélérer la méthanation du CO2 et les réactions apparentées. Le couplage plasma-thermique exploite les plasmas non thermiques qui produisent des électrons énergétiques et des radicaux dans des conditions douces.

Ces systèmes synergétiques démontrent que les entrées d'énergie multiples peuvent surmonter les barrières de cinétique faible, de mauvaise sélectivité et d'exigences énergétiques élevées, fournissant une plateforme versatile pour l'utilisation durable du CO2. Les professeurs Hui-Ming Cheng et Xiaolong Zhang, co-auteurs de la revue, affirment que les stratégies catalytiques à mode unique pour la réduction du CO2 ont peut-être atteint leurs limites de performance.

Les systèmes catalytiques couplés à l'énergie synergétique promettent à la fois la remédiation environnementale et la production d'énergie propre. En rendant la réduction du CO2 plus efficace et sélective, ces systèmes permettent la production durable de carburants comme le méthanol, le méthane et les hydrocarbures multi-carbones, ainsi que de produits chimiques industriellement pertinents tels que l'éthanol et l'acide acétique. Au-delà du recyclage du carbone, ces approches catalytiques hybrides fournissent un modèle pour exploiter plus efficacement l'électricité renouvelable et l'énergie solaire dans la fabrication chimique.

Si elles sont mises à l'échelle avec succès, ces technologies pourraient combler le fossé entre la recherche en laboratoire et l'application industrielle, offrant une voie viable pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et atteindre les objectifs de neutralité carbone à long terme. Le développement de ces systèmes hybrides alimentés par l'énergie représente un changement de paradigme pour la recherche future sur la conversion du CO2.