Un matériau simple et bon marché pour le captage du carbone, peut-être à partir des pots d'échappement

À l'aide d'un polymère peu coûteux appelé mélamine - le principal composant du Formica - des chimistes ont créé un moyen bon marché, facile et économe en énergie de capturer le dioxyde de carbone des cheminées, un objectif clé pour les États-Unis et d'autres nations qui cherchent à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Le processus de synthèse de la mélamine, publié dans la revue Science Advances, pourrait potentiellement être réduit pour capturer les émissions des gaz d'échappement des véhicules ou d'autres sources mobiles de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles représente environ 75 % de tous les gaz à effet de serre produits aux États-Unis.

Le nouveau matériau est simple à fabriquer, il nécessite principalement de la poudre de mélamine disponible dans le commerce - qui coûte aujourd'hui environ 40 dollars la tonne - ainsi que du formaldéhyde et de l'acide cyanurique, un produit chimique qui, entre autres utilisations, est ajouté au chlore dans les piscines.

"Nous voulions réfléchir à un matériau de capture du carbone qui soit dérivé de sources vraiment bon marché et faciles à obtenir. Nous avons donc décidé de commencer par la mélamine", a déclaré Jeffrey Reimer, professeur de l'école supérieure du département de génie chimique et biomoléculaire de l'université de Californie à Berkeley, et l'un des auteurs correspondants de l'article.

Le réseau poreux de mélamine capture le dioxyde de carbone avec une efficacité comparable aux premiers résultats obtenus avec un autre matériau relativement récent pour la capture du carbone, les cadres organiques métalliques, ou MOF. Les chimistes de l'UC Berkeley ont créé le premier MOF de capture du carbone de ce type en 2015, et les versions ultérieures se sont révélées encore plus efficaces pour éliminer le dioxyde de carbone des gaz de combustion, comme ceux d'une centrale électrique au charbon.

Mais Haiyan Mao, un chercheur postdoctoral de l'UC Berkeley qui est le premier auteur de l'article, a déclaré que les matériaux à base de mélamine utilisent des ingrédients beaucoup moins chers, sont plus faciles à fabriquer et sont plus efficaces sur le plan énergétique que la plupart des MOF. Le faible coût de la mélamine poreuse signifie que ce matériau pourrait être déployé à grande échelle.

"Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la conception de matériaux moins chers pour la capture et le stockage et sur l'élucidation du mécanisme d'interaction entre le_CO2 et le matériau", a déclaré Mao. "Ce travail crée une méthode d'industrialisation générale vers la capture durable du_CO2 en utilisant des réseaux poreux. Nous espérons pouvoir concevoir un futur accessoire pour capturer les gaz d'échappement des voitures, ou peut-être un accessoire pour un bâtiment ou même un revêtement à la surface des meubles."

Ces travaux sont le fruit d'une collaboration entre un groupe de l'UC Berkeley dirigé par Reimer, un groupe de l'université de Stanford dirigé par Yi Cui, directeur de l'Institut Precourt pour l'énergie, professeur invité Somorjai Miller à l'UC Berkeley et ancien boursier postdoctoral de l'UC Berkeley, Alexander Pines, professeur à l'école supérieure de l'UC Berkeley, et un groupe de l'université A&M du Texas dirigé par Hong-Cai Zhou. Jing Tang, chercheur postdoctoral à Stanford et au Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford et chercheur invité à l'UC Berkeley, est coauteur principal avec Mao.

La neutralité carbone d'ici 2050

Si l'élimination de la combustion de combustibles fossiles est essentielle pour enrayer le changement climatique, une stratégie intérimaire majeure consiste à capter les émissions de dioxyde de carbone - le principal gaz à effet de serre - et à stocker le gaz dans le sous-sol ou à transformer le_CO2 en produits utilisables. Le ministère américain de l'énergie a déjà annoncé des projets d'un montant total de 3,18 milliards de dollars pour stimuler les technologies avancées et commercialement évolutives de captage, d'utilisation et de séquestration du carbone (CCUS) afin d'atteindre un objectif ambitieux d'efficacité du captage du_CO2 des gaz de combustion de 90 %. L'objectif ultime des États-Unis est de parvenir à des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050.

Mais le captage du carbone est loin d'être commercialement viable. La meilleure technique actuelle consiste à faire passer les gaz de combustion dans des amines liquides, qui fixent le_CO2. Mais cela nécessite de grandes quantités d'énergie pour libérer le dioxyde de carbone une fois qu'il est lié aux amines, afin qu'il puisse être concentré et stocké sous terre. Le mélange d'amines doit être chauffé à une température comprise entre 120 et 150 degrés Celsius (250-300 degrés Fahrenheit) pour régénérer le_CO2.

En revanche, le réseau poreux de mélamine modifié par le DETA et l'acide cyanurique capte le_CO2 à environ 40 degrés Celsius, soit légèrement au-dessus de la température ambiante, et le libère à 80 degrés Celsius, soit en dessous du point d'ébullition de l'eau. Les économies d'énergie proviennent du fait qu'il n'est pas nécessaire de chauffer la substance à des températures élevées.

Dans ses recherches, l'équipe Berkeley/Stanford/Texas s'est concentrée sur la mélamine, un polymère courant, utilisé non seulement dans le Formica, mais aussi dans la vaisselle et les ustensiles bon marché, les revêtements industriels et d'autres plastiques. Traiter la poudre de mélamine avec du formaldéhyde - ce que les chercheurs ont fait par kilogrammes - crée des pores à l'échelle nanométrique dans la mélamine qui, selon les chercheurs, absorberaient le_CO2.

Mao a déclaré que les tests ont confirmé que la mélamine traitée au formaldéhyde adsorbait quelque peu le_CO2, mais que l'adsorption pouvait être considérablement améliorée en ajoutant un autre produit chimique contenant une amine, le DETA (diéthylènetriamine), pour lier le_CO2. Elle et ses collègues ont ensuite découvert que l'ajout d'acide cyanurique pendant la réaction de polymérisation augmentait considérablement la taille des pores et améliorait radicalement l'efficacité de la capture du_CO2: La quasi-totalité du dioxyde de carbone présent dans un mélange simulé de gaz de combustion a été absorbée en trois minutes environ.

L'ajout d'acide cyanurique a également permis de réutiliser le matériau à l'infini.

Mao et ses collègues ont mené des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide pour comprendre comment l'acide cyanurique et le DETA interagissaient pour rendre la capture du carbone si efficace. Les études ont montré que l'acide cyanurique forme des liaisons hydrogène fortes avec le réseau de mélamine qui aide à stabiliser le DETA, l'empêchant de s'échapper des pores de la mélamine au cours des cycles répétés de capture et de régénération du carbone.

"Ce que Haiyan et ses collègues ont pu montrer avec ces techniques élégantes, c'est exactement comment ces groupes s'entremêlent, exactement comment le_CO2 réagit avec eux, et qu'en présence de cet acide cyanurique qui ouvre les pores, elle est capable d'activer et de désactiver le_CO2 plusieurs fois avec une capacité qui est vraiment très bonne", a déclaré Reimer. "Et la vitesse à laquelle le_CO2 s'adsorbe est en fait assez rapide, par rapport à d'autres matériaux. Ainsi, tous les aspects pratiques à l'échelle du laboratoire de ce matériau pour la capture du_CO2 ont été satisfaits, et il est tout simplement incroyablement bon marché et facile à fabriquer."

"En utilisant des techniques de résonance magnétique nucléaire à l'état solide, nous avons systématiquement élucidé avec des détails sans précédent, au niveau atomique, le mécanisme de la réaction des réseaux amorphes avec le_CO2", a déclaré Mao. "Pour la communauté de l'énergie et de l'environnement, ce travail crée une famille de réseaux à l'état solide très performants, ainsi qu'une compréhension approfondie des mécanismes, mais encourage également l'évolution de la recherche sur les matériaux poreux, qui passe des méthodes d'essai et d'erreur à une modulation rationnelle, étape par étape, au niveau atomique."

Les groupes Reimer et Cui continuent de modifier la taille des pores et les groupes amine afin d'améliorer l'efficacité du captage du carbone des réseaux poreux de mélamine, tout en maintenant l'efficacité énergétique. Cela implique l'utilisation d'une technique appelée chimie combinatoire dynamique pour faire varier les proportions des ingrédients afin d'obtenir une capture du_CO2 efficace, évolutive, recyclable et à haute capacité.

Reimer et Mao ont également collaboré étroitement avec le groupe de Cui à Stanford pour synthétiser d'autres types de matériaux, notamment des membranes nanoporeuses hiérarchiques - une classe de nanocomposites combinant une sphère de carbone et de l'oxyde de graphène - et des carbones nanoporeux hiérarchiques fabriqués à partir de bois de pin, pour adsorber le dioxyde de carbone. Reimer a développé la RMN à l'état solide spécifiquement pour caractériser le mécanisme par lequel les matériaux solides interagissent avec le dioxyde de carbone, afin de concevoir de meilleurs matériaux pour la capture du carbone dans l'environnement et le stockage de l'énergie. Cui a mis au point une plateforme solide robuste et durable et des techniques de fabrication pour créer de nouveaux matériaux destinés à lutter contre le changement climatique et à stocker l'énergie.