Les installations industrielles, comme celles qui fabriquent du ciment ou de l’acier, émettent de grandes quantités de dioxyde de carbone, un puissant gaz à effet de serre, mais les gaz d’échappement sont trop chauds pour la plupart des technologies modernes d’élimination du carbone. Beaucoup d’énergie et d’eau sont nécessaires pour refroidir les flux d’échappement, ce qui a limité l’adoption du captage du CO2 dans certaines des industries les plus polluantes.
Au centre gauche se trouve l’un des éléments cristallins d’une structure organométallique (MOF) thermiquement stable, appelée ZnH-MFU-4l, capable de capturer de manière réversible et sélective le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, à partir d’un mélange de nombreux gaz importants pour industrie. Le CO2 est mis en évidence à gauche, parmi les molécules d’azote, d’oxygène, d’hydrogène, de monoxyde de carbone et d’eau. Le MOF peut capturer le CO2 pendant de nombreux cycles à 300°C, la température typique des flux d’échappement des aciéries et des cimenteries. Les groupes hydrure de zinc du MOF se lient et libèrent de manière réversible des molécules de dioxyde de carbone (à droite). Les sphères bleu clair, grises, bleues, rouges et blanches représentent respectivement les atomes de Zn, C, N, O et H.
Rachel Rohde, Kurtis Carsch et Jeffrey Long, UC Berkeley
Des chimistes de l’Université de Californie à Berkeley ont découvert qu’un matériau poreux peut agir comme une éponge pour capturer le CO2 à des températures proches de celles de nombreux flux d’échappement industriels. Ce matériau – un type de structure métallo-organique, ou MOF – sera décrit dans un article qui sera publié dans l’édition imprimée du 15 novembre de la revue. Science.
La méthode dominante pour capturer le carbone des centrales électriques ou des émissions industrielles utilise des amines liquides pour absorber le CO2, mais la réaction n’est efficace qu’à des températures comprises entre 40 et 60°C (100-140°F). Les usines de fabrication de ciment et d’acier produisent des gaz d’échappement qui dépassent 200 C (400 F), et certains gaz d’échappement industriels approchent les 500 C (930 F). Les nouveaux matériaux actuellement testés, y compris une sous-classe de MOF additionnés d’amines, se décomposent à des températures supérieures à 150°C (300°F) ou sont beaucoup moins efficaces.
“Des infrastructures coûteuses sont nécessaires pour amener ces flux de gaz chauds et les refroidir aux bonnes températures pour que les technologies existantes de capture du carbone fonctionnent”, a déclaré Kurtis Carsch, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley et l’un des deux premiers auteurs de l’article. « Notre découverte va changer la façon dont les scientifiques envisagent le captage du carbone. Nous avons découvert qu’un MOF peut capter le dioxyde de carbone à des températures sans précédent – températures pertinentes pour de nombreux processus d’émission de dioxyde de carbone. C’est quelque chose qui n’était pas considéré auparavant comme possible pour un matériau poreux.
“Notre travail s’éloigne de l’étude prédominante des systèmes de capture du carbone à base d’amines et démontre un nouveau mécanisme de capture du carbone dans un MOF qui permet un fonctionnement à haute température”, a déclaré Rachel Rohde, étudiante diplômée de l’UC Berkeley et co-auteur de l’étude. première feuille.
Comme tous les MOF, le matériau présente un réseau cristallin poreux d’ions métalliques et de liaisons organiques, avec une surface interne équivalente à environ six terrains de football par cuillerée, soit une énorme surface d’absorption des gaz.
“En raison de leur structure unique, les MOF disposent d’une forte densité de sites où le CO2 peut être capturé et libéré dans des conditions appropriées”, explique Carsch.
Dans des conditions simulées, les chercheurs ont démontré que ce nouveau type de MOF peut capter le CO2 chaud à des concentrations correspondant aux flux d’échappement des usines de fabrication de ciment et d’acier, qui contiennent en moyenne 20 à 30 % de CO2, ainsi que moins de concentrés d’émissions provenant de sources naturelles. les centrales électriques au gaz, qui contiennent environ 4 % de CO2.
L’élimination du CO2 des émissions industrielles et des centrales électriques, après l’avoir stocké sous terre ou utilisé pour produire des carburants ou d’autres produits chimiques à valeur ajoutée, est une stratégie clé pour réduire les gaz à effet de serre qui réchauffent la Terre et modifient le climat à l’échelle mondiale. Alors que les sources d’énergie renouvelables réduisent déjà le besoin de centrales électriques émettant du CO2 et brûlant des combustibles fossiles, les installations industrielles qui utilisent intensivement des combustibles fossiles sont plus difficiles à rendre durables et le captage des gaz résiduaires est donc essentiel.
« Nous devons commencer à réfléchir aux émissions de CO2 des industries, telles que l’acier et le ciment, qui sont difficiles à décarboner, car elles continueront probablement à émettre du CO2 même si nos infrastructures énergétiques s’orientent de plus en plus vers les énergies renouvelables », a déclaré M. Rohde.
Passer des amines aux hydrures métalliques
Rohde et Carsch mènent des recherches dans le laboratoire de Jeffrey Long, professeur de chimie, de génie chimique et biomoléculaire, ainsi que de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley. M. Long mène des recherches sur les MOF absorbant le CO2 depuis plus d’une décennie. En 2015, son laboratoire a créé un matériau prometteur développé par la startup de M. Long, Mosaic Materials, acquise en 2022 par la société de technologie énergétique Baker Hughes. Ce matériau contient des amines qui captent le CO2 ; Des variantes de nouvelle génération sont testées comme alternatives aux amines aqueuses pour le captage du CO2 dans des usines pilotes et comme moyen de capter le CO2 directement de l’air ambiant.
Mais ces MOF, comme d’autres adsorbants poreux, sont inefficaces aux températures élevées associées à de nombreux gaz de combustion, a déclaré Carsch.
Les adsorbants à base d’amines, comme ceux développés par Long, sont au centre de la recherche sur le captage du carbone depuis des décennies. Le MOF étudié par Rohde, Carsch, Long et ses collègues possède des pores décorés de sites d’hydrure de zinc, qui fixent également le CO2. Ces sites se sont révélés étonnamment stables, a déclaré Rohde.
«Les hydrures métalliques moléculaires peuvent être réactifs et peu stables», explique Rohde. « Ce matériau est très stable et permet ce qu’on appelle la capture profonde du carbone, ce qui signifie qu’il peut capturer 90 % ou plus du CO2 avec lequel il entre en contact, ce qui est vraiment ce dont vous avez besoin pour une capture ponctuelle. Ses capacités de captage du CO2 sont comparables à celles des MOF à base d’amines, mais à des températures beaucoup plus élevées.
Une fois que le MOF est plein de CO2, il peut être éliminé ou désorbé en abaissant la pression partielle du CO2, en le rinçant avec un autre gaz ou en le plaçant sous vide. Le MOF est alors prêt à être réutilisé pour un autre cycle d’adsorption.
“Comme l’entropie favorise de plus en plus la présence de molécules telles que le CO2 dans la phase gazeuse à mesure que la température augmente, on pensait généralement qu’il était impossible de capturer ces molécules à l’aide d’un solide poreux à des températures supérieures à 200°C”, a déclaré Long. “Ce travail démontre qu’avec la bonne fonctionnalité – ici, les sites d’hydrure de zinc – une capture rapide, réversible et de grande capacité du CO2 peut effectivement être obtenue à des températures aussi élevées que 300 °C.”
Rohde, Long et leurs collègues étudient des variantes de cet hydrure métallique MOF pour voir quels autres gaz il peut adsorber, ainsi que des modifications qui permettront à ces matériaux d’absorber encore plus de CO2.
“Nous avons la chance d’avoir fait cette découverte, qui a ouvert de nouvelles voies dans la science de la séparation, axée sur la conception d’adsorbants fonctionnels capables de fonctionner à des températures élevées”, a déclaré Carsch, qui a accepté une chaire au département de chimie de l’université du Texas à Austin. « Il existe de nombreuses façons de réguler les ions métalliques et les éléments d’alliage dans les MOF, il pourrait donc être possible de concevoir rationnellement de tels adsorbants pour d’autres processus de séparation de gaz à haute température pertinents pour l’industrie et le développement durable.
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