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Une meilleure façon de capturer le carbone
Les chercheurs ont développé des matériaux poreux qui peuvent absorber 80 fois leur volume de dioxyde de carbone, offrant la possibilité alléchante que le gaz à effet de serre puisse être épuré à moindre coût des cheminées des centrales électriques. Une fois que le dioxyde de carbone a été absorbé par les nouveaux matériaux, il pourrait être libéré par des changements de pression, comprimé et, enfin, pompé sous terre pour un stockage à long terme.
Cristaux de capture de carbone : Il s'agit d'une micrographie optique d'un nouveau matériau qui peut extraire le dioxyde de carbone d'un flux de gaz, permettant de séquestrer le gaz à effet de serre.
Une telle capture et séquestration du dioxyde de carbone pourrait être essentielle pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, en particulier dans des pays comme les États-Unis qui dépendent fortement du charbon pour l'électricité. La première étape, le captage du carbone, est particulièrement importante, puisqu'elle peut représenter 75 % des coûts totaux, selon le ministère de l'énergie .
Les nouveaux matériaux, décrits cette semaine dans La science , ont été créés par des chercheurs de l'UCLA dirigés par Omar Yaghi , un chimiste connu pour produire des matériaux avec des structures microscopiques complexes. Ils absorbent de grandes quantités de dioxyde de carbone mais n'absorbent pas d'autres gaz.
Des techniques existent déjà pour capturer le dioxyde de carbone des cheminées, mais elles utilisent de grandes quantités d'énergie – 15 à 20 % de la production totale d'électricité d'une centrale électrique, selon une estimation, selon Yaghi. En effet, les matériaux existants, appelés amines, doivent être chauffés pour libérer le dioxyde de carbone qu'ils ont absorbé. En effet, la capture et la compression du dioxyde de carbone grâce à ces méthodes existantes peuvent augmenter de 80 à 90 % le coût de production d'électricité à partir du charbon, explique Thomas Feeley, chef de projet au Laboratoire national des technologies énergétiques .
Feeley dit que les matériaux de Yaghi se comparent favorablement à d'autres matériaux expérimentaux qui absorbent le dioxyde de carbone et qui sont en cours de développement pour aider à réduire ces coûts. Yaghi dit que ses matériaux pourraient réduire considérablement les coûts car ils utilisent moins d'énergie, bien qu'exactement combien nécessitera de tester les matériaux dans les centrales électriques.
En plus d'être potentiellement utiles dans les cheminées, les matériaux pourraient être utilisés dans les usines de gazéification du charbon. Dans ces usines, le charbon est d'abord traité pour produire un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène gazeux. L'hydrogène est ensuite utilisé pour produire de l'électricité. Le dioxyde de carbone pourrait être capté à l'aide d'un solvant qui augmente la consommation d'énergie. Mais comme dans le processus basé sur les cheminées, les nouveaux matériaux UCLA pourraient nécessiter moins d'énergie.
Les matériaux appartiennent à une classe appelée charpentes d'imidazolate zéolitique (ZIF). Ils sont constitués d'atomes de métal pontés par l'une des nombreuses molécules organiques en forme d'anneau appelées imidazolates. Avant les recherches de Yaghi, 24 types de ZIF avaient été développés en 12 ans. Yaghi a réalisé 25 nouvelles versions en seulement trois mois. Ces matériaux peuvent être extrêmement polyvalents, car les atomes métalliques peuvent agir comme de puissants catalyseurs et les molécules organiques peuvent servir d'ancrage pour un certain nombre de molécules fonctionnelles.
Prolifération de ZIF : de nouvelles techniques automatisées permettent aux chercheurs de synthétiser rapidement des dizaines de nouveaux matériaux appelés cadres d'imidazolate zéolitique (ZIF). Crédit : Omar Yaghi
Les nouveaux matériaux absorbent le dioxyde de carbone en partie parce qu'ils sont extrêmement poreux, ce qui leur confère une surface spécifique élevée pouvant entrer en contact avec les molécules de dioxyde de carbone. Le plus poreux des matériaux que Yaghi rapporte dans La science contiennent près de 2 000 mètres carrés de surface emballés dans un gramme de matériau. Un litre d'un des matériaux de Yaghi peut stocker toutes les molécules de dioxyde de carbone qui, à zéro °C et à pression ambiante, occuperaient un volume de 82,6 litres.
Bien que les mécanismes exacts ne soient pas entièrement compris, Yaghi pense que la charge légèrement négative des molécules organiques dans son matériau attire les molécules de dioxyde de carbone, qui ont une charge légèrement positive. En conséquence, le dioxyde de carbone est maintenu en place, tandis que d'autres gaz se déplacent à travers le matériau. Cette méthode de piégeage du dioxyde de carbone est meilleure que d'autres méthodes car elle n'implique pas de liaisons covalentes fortes, il ne faut donc pas beaucoup d'énergie pour libérer le gaz.
La prochaine étape pour les matériaux est la commercialisation. Cela signifie augmenter la production et incorporer les matériaux dans un système dans une centrale électrique, par exemple en emballant les matériaux dans des bidons pouvant être remplis de gaz d'échappement sous pression - quelque chose qui, selon le groupe UCLA, pourrait être possible dans deux à trois ans. Yaghi estime que les matériaux pourraient facilement être fabriqués en grande quantité, car ils sont similaires à d'autres matériaux qu'il a développés et qui peuvent maintenant être fabriqués à la tonne par BASF , la société chimique géante. Maintenant, c'est entre les mains de l'industrie, dit Yaghi. Et il a développé des techniques automatisées qui pourraient conduire à plus de matériaux qui pourraient avoir des propriétés encore meilleures.