Percée dans le captage du CO2 "chaud" des gaz d'échappement industriels
Une structure métallo-organique capable de capturer le CO2 à des températures extrêmes
Les installations industrielles, telles que 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 les technologies d'élimination du carbone les plus modernes. Il faut beaucoup d'énergie et d'eau 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 métallo-organique (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 l'industrie. Le CO2 est mis en évidence à gauche, parmi des 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, température typique des flux d'échappement des cimenteries et des aciéries. Les groupes d'hydrure de zinc du MOF lient et libèrent de manière réversible les 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 and 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 cadre 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 émissions des centrales électriques ou 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 les 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 avec des amines ajoutées, se décomposent à des températures supérieures à 150 °C (300 °F) ou sont beaucoup moins efficaces.
"Une infrastructure coûteuse est nécessaire pour prendre ces flux de gaz chauds et les refroidir aux températures appropriées pour que les technologies existantes de capture du carbone fonctionnent", a déclaré Kurtis Carsch, postdoctorant à l'UC Berkeley et l'un des deux premiers auteurs de l'article. "Notre découverte est sur le point de changer la façon dont les scientifiques envisagent la capture du carbone. Nous avons découvert qu'un MOF peut capturer le dioxyde de carbone à des températures sans précédent - des températures qui sont pertinentes pour de nombreux processus d'émission de CO2. 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 coauteur du premier article.
Comme tous les MOF, le matériau présente un réseau poreux et cristallin d'ions métalliques et de liaisons organiques, avec une surface interne équivalente à environ six terrains de football par cuillère à soupe - une surface énorme pour adsorber les gaz.
"Grâce à leur structure unique, les MOF présentent une densité élevée de sites où il est possible de capturer et de libérer du CO2 dans des conditions appropriées", explique M. Carsch.
Dans des conditions simulées, les chercheurs ont montré que ce nouveau type de MOF peut capturer 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 qu'aux émissions moins concentrées des centrales électriques au gaz naturel, qui contiennent environ 4 % de CO2.
L'élimination du CO2 des émissions industrielles et des centrales électriques, après quoi il est soit stocké sous terre, soit utilisé pour fabriquer 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 électriquesémettant du CO2 et brûlant des combustibles fossiles, les installations industrielles qui font un usage intensif des combustibles fossiles sont plus difficiles à rendre durables, et le captage des gaz de combustion est donc essentiel.
"Nous devons commencer à réfléchir aux émissions de CO2 des industries, comme la fabrication d'acier et de ciment, qui sont difficiles à décarboniser, car il est probable qu'elles continueront à émettre du CO2, même si notre infrastructure énergétique s'oriente 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, d'ingénierie chimique et biomoléculaire et de science et d'ingénierie des matériaux à l'université de Berkeley. M. Long mène des recherches sur les MOFabsorbant le CO2 depuis plus de dix ans. En 2015, son laboratoire a créé un matériau prometteur qui a été développé par la startup de M. Long, Mosaic Materials, qui a été rachetée en 2022 par la société de technologie énergétique Baker Hughes. Ce matériau contient des amines qui capturent le CO2; des variantes de la prochaine génération sont testées comme alternatives aux amines aqueuses pour la capture du CO2 dans des usines pilotes, et comme moyen de capturer le CO2 directement à partir 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 expliqué M. Carsch.
Les adsorbants à base d'amines, comme ceux mis au point par Long, sont au cœur de la recherche sur la capture du carbone depuis des décennies. Le MOF étudié par Rohde, Carsch, Long et leurs collègues comporte des pores décorés de sites d'hydrure de zinc, qui fixent également le CO2. Ces sites se sont révélés étonnamment stables, selon M. Rohde.
"Les hydrures métalliques moléculaires peuvent être réactifs et peu stables", explique M. Rohde. "Ce matériau est très stable et permet ce que l'on appelle la capture du carbone en profondeur, ce qui signifie qu'il peut capturer 90 % ou plus duCO2 avec lequel il entre en contact, ce qui est vraiment ce dont vous avez besoin pour la capture d'une source 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 rempli de CO2,celui-ci peut être éliminé, ou désorbé, en abaissant la pression partielle du CO2, soit en le rinçant avec un autre gaz, soit en le mettant sous vide. Le MOF est alors prêt à être réutilisé pour un autre cycle d'adsorption.
"Étant donné que l'entropie favorise de plus en plus la présence de molécules comme le CO2 en phase gazeuse lorsque 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 M. Long. "Ce travail montre qu'avec la bonne fonctionnalité - ici, des sites d'hydrure de zinc - la capture rapide, réversible et de grande capacité du CO2 peut en effet être réalisée à des températures élevées telles que 300 C."
Rohde, Long et leurs collègues étudient des variantes de ce MOF à hydrure métallique pour voir quels autres gaz ils peuvent adsorber, ainsi que des modifications qui permettront à ces matériaux d'adsorber 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, axées sur la conception d'adsorbants fonctionnels pouvant fonctionner à des températures élevées", a déclaré M. Carsch, qui a accepté un poste de professeur au département de chimie de l'université du Texas à Austin. "Il existe un nombre considérable de façons de régler l'ion métallique et l'élément de liaison dans les MOF, de sorte qu'il pourrait être possible de concevoir rationnellement de tels adsorbants pour d'autres processus de séparation des gaz à haute température pertinents pour l'industrie et le développement durable".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Rachel C. Rohde, Kurtis M. Carsch, Matthew N. Dods, Henry Z. H. Jiang, Alexandra R. McIsaac, Ryan A. Klein, Hyunchul Kwon, Sarah L. Karstens, Yang Wang, Adrian J. Huang, Jordan W. Taylor, Yuto Yabuuchi, Nikolay V. Tkachenko, ... Andrew M. Minor, Jeffrey A. Reimer, Martin Head-Gordon, Craig M. Brown, Jeffrey R. Long; "High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites"; Science, Volume 386
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