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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10298 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons la co-électrolyse de l'eau de mer et du dioxyde de carbone (CO2) dans un réacteur microfluidique sans membrane intégré à des cellules solaires pour la synthèse continue de produits organiques. Le réacteur microfluidique a été fabriqué à l'aide d'un substrat de polydiméthylsiloxane comprenant un microcanal central avec une paire d'entrées pour l'injection de CO2 gazeux et d'eau de mer et une sortie pour l'élimination des produits organiques. Une paire d'électrodes de cuivre a été insérée dans le microcanal pour assurer son interaction directe avec le gaz CO2 et l'eau de mer entrants lors de leur passage dans le microcanal. Le couplage de panneaux de cellules solaires avec des électrodes a généré un champ électrique de haute intensité aux bornes des électrodes à basse tension, ce qui a facilité la co-électrolyse du CO2 et de l'eau de mer. L’électrolyse combinée du CO2 et de l’eau de mer a produit une gamme de matières organiques d’importance industrielle sous l’influence du champ électrique externe médié par les cellules solaires. Les composés organiques synthétisés ont été collectés en aval et identifiés à l’aide de techniques de caractérisation. De plus, les mécanismes de réaction électrochimiques sous-jacents probables à proximité des électrodes ont été proposés pour la synthèse de produits organiques. L'inclusion du gaz à effet de serre CO2 comme réactif, de l'eau de mer comme électrolyte et de l'énergie solaire comme source électrique peu coûteuse pour l'initiation de la co-électrolyse fait du microréacteur une alternative peu coûteuse et durable pour la séquestration du CO2 et la synthèse de composés organiques.

Le microréacteur est constitué de microcanaux à flux continu d'un diamètre typique inférieur à 1 mm et de volumes de réaction allant du nanolitre au microlitre1,2,3. Au cours de la dernière décennie, les microréacteurs ont révolutionné les industries pharmaceutiques4,5,6, le diagnostic sur le lieu d’intervention7, l’énergie propre8,9 et la synthèse chimique à haut débit10,11,12. Par rapport aux processus par lots, la technologie des microréacteurs permet une synthèse continue de produits commerciaux avec des temps de réaction réduits, un rendement amélioré, une sélectivité améliorée, une efficacité plus élevée, une plus grande rentabilité, un contrôle précis de la réaction, une réduction des déchets et une manipulation sûre des réactions dangereuses13,14. Les microréacteurs peuvent être largement utilisés pour l’utilisation et la séquestration du CO2 afin de synthétiser des composés organiques15,16,17.

Les niveaux élevés d’émissions de CO2 provenant des activités industrielles, des gaz d’échappement des automobiles ou de la combustion de combustibles fossiles ont déclenché des changements climatiques indésirables, un réchauffement climatique et de graves stress environnementaux dans le monde entier18. En conséquence, des solutions innovantes sont nécessaires pour réduire les émissions de CO2 et convertir le gaz CO2 en produits commerciaux19. En pratique, le captage, l’extraction, la purification et la conversion du CO2 par des procédés chimiques ou électrochimiques sont actuellement entravés par leur coût élevé et leurs besoins énergétiques20. L’approche la plus prometteuse pour la séquestration du CO2 consiste à convertir le CO2 gazeux vierge en produits tels que l’alcool, l’acide carboxylique, l’aldéhyde, l’ester, la cétone, la paraffine ou le solvant à usage industriel21,22. Des études antérieures ont montré que les réacteurs discontinus macroscopiques peuvent être utilisés pour la réduction électrochimique du CO2 atmosphérique en méthanol23,24,25. Dans un passé récent, outre le traitement du pétrole, du diesel ou d'autres mélanges d'hydrocarbures liquides, le CO2 des gaz de combustion a été soumis à une réduction électrochimique afin de produire une variété de produits organiques à valeur ajoutée, tels que l'acide formique (HCOOH), le formaldéhyde (HCHO ), et le méthanol (CH3OH)26,27,28,29. En outre, des systèmes de réaction inverse eau-gaz assistés par catalyseur ont également été développés pour la conversion du CO2 atmosphérique en hydrocarbures en présence d’eau de mer30. Des études récentes ont démontré qu'une cellule électrochimique peut produire des composés d'acide carboxylique, de glycol et de carboxylate en électrolysant simultanément le H2O dans un compartiment tout en réduisant le CO2 dans un autre compartiment31,32,33,34,35. Il a été démontré que la coélectrolyse du CO2 et du H2O avec des sources d’énergie alternatives telles que l’irradiation éolienne et solaire peut être utilisée pour produire des hydrocarbures et des produits chimiques industriels36,37,38. Des rapports publiés ont montré que les réacteurs à microcanaux peuvent réduire le CO2 dans des conditions galvaniques par réduction électrochimique catalytique39,40. Une conversion efficace du gaz à effet de serre CO2 en hydrocarbures à valeur ajoutée serait réalisable grâce au développement d'un système de microréacteur solaire sans catalyseur.