KNOXVILLE, TN, 22 octobre 2025 /24-7PressRelease/ -- La conversion du dioxyde de carbone en carburants et produits chimiques à l'aide d'énergies renouvelables est 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'on s'appuie 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. En intégrant ces modes d'énergie complémentaires, les systèmes catalytiques synergétiques ouvrent des opportunités pour surmonter les barrières dans la réduction du CO2 et se rapprocher de technologies pratiques et évolutives de recyclage du carbone.

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 par plasma – ont réalisé des progrès importants mais font face à des limitations telles qu'une consommation énergétique élevée, une mauvaise sélectivité ou des rendements de produits insuffisants. Ces défis ont stimulé l'intérêt pour les systèmes hybrides qui combinent plusieurs apports énergétiques. Le raisonnement est que l'utilisation simultanée ou séquentielle de la lumière, de la chaleur, du plasma et de l'électricité peut activer les réactifs, les intermédiaires et les catalyseurs plus efficacement que les modes uniques seuls. Sur la base de ces défis, il y a un besoin pressant d'explorer la catalyse couplée à l'énergie synergétique pour la réduction du CO2.

Une équipe de recherche de l'Université de Technologie Avancée de Shenzhen et des 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 thermique, photonique, électrique et de plasma dans les systèmes catalytiques crée des effets synergétiques qui améliorent significativement l'efficacité de conversion du CO2. En analysant les avancées récentes, les mécanismes et les défis, l'étude fournit des perspectives sur la façon dont de telles stratégies peuvent accélérer la transition vers des solutions énergétiques durables et de recyclage du carbone.

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. Par exemple, les photocatalyseurs thermiques assistés par la lumière tels que Au/ZnWO4–ZnO et Ni/TiO2 ont démontré une haute sélectivité pour l'hydrogénation du CO2 dans des conditions douces avec une efficacité améliorée. Les systèmes électrothermiques utilisent le chauffage résistif des courants électriques pour accélérer la méthanation du CO2 et les réactions associées. Des méthodes comme le chauffage interne électrique (EIH) permettent aux catalyseurs d'atteindre les températures de réaction en quelques minutes, améliorant l'efficacité et réduisant l'empoisonnement. Le couplage plasma-thermique exploite les plasmas non thermiques qui produisent des électrons énergétiques et des radicaux dans des conditions douces, qui, lorsqu'ils sont associés à des catalyseurs nanostructurés, atteignent une conversion élevée du CO2 à des coûts énergétiques inférieurs. Les études de cas incluent des nanobâtonnets de β-Mo2C avec une sélectivité améliorée pour le CO et une boucle chimique assistée par plasma atteignant une conversion trois fois plus élevée que les méthodes conventionnelles. Collectivement, ces systèmes synergétiques démontrent que les apports multi-énergétiques peuvent surmonter les barrières de faible cinétique, de mauvaise sélectivité et d'exigences énergétiques élevées, fournissant une plateforme versatile pour l'utilisation durable du CO2.

« Les stratégies catalytiques à mode unique pour la réduction du CO2 ont peut-être atteint leurs limites de performance », ont déclaré le professeur Hui-Ming Cheng et le professeur Xiaolong Zhang, co-auteurs de la revue. « En tirant parti des effets synergétiques des apports énergétiques combinés, nous pouvons accéder à de nouvelles voies de réaction, augmenter la sélectivité pour les produits valorisables et réduire significativement la consommation d'énergie. Cette approche non seulement fait progresser la science de la catalyse mais accélère également le déploiement des technologies nécessaires à la neutralité carbone. Le développement de systèmes hybrides pilotés par l'énergie représente un changement de paradigme pour la future recherche sur la conversion du CO2. »

Les systèmes catalytiques couplés à l'énergie synergétique promettent à la fois la dépollution 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 pertinents pour l'industrie 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, elles 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.

Références

DOI
10.1016/j.esci.2024.100306

URL de la source originale
https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100306

Informations sur le financement
Les auteurs remercient chaleureusement les soutiens financiers de la Fondation Nationale des Sciences Naturelles de Chine (52201237), du Bureau de l'Innovation Scientifique et Technologique de Shenzhen (KQTD2022110109364705, ZDSYS20210706144000003), de la Fondation des Sciences Postdoctorales de Chine (E325281005 et E325281003), du Projet de Recherche Conjointe du Groupe China Merchants et du SIAT (E2Z1521) et du Projet d'Équipe Jeune de Recherche Conjointe Inter-Instituts du SIAT (E25427).

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