Comprendre les pièges à carbone
L'étude physique d'un matériau prometteur montre exactement comment il bloque le CO₂ en place
Alors que les industries recherchent des solutions innovantes pour le piégeage du carbone, les scientifiques se sont tournés vers des matériaux avancés qui piègent et stockent efficacement le dioxyde de carbone (CO₂) provenant des émissions industrielles. Une étude récente menée par une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de l'université technologique de Dresde (TUD) et de l'université Maria Curie-Skłodowska de Lublin (Pologne) met en lumière la physique de l'adsorption de gaz de ce que l'on appelle le Calgary Framework 20 (CALF-20), un cadre métallo-organique (MOF) à base de zinc. La recherche met en évidence la manière dont CALF-20 capture efficacement le CO₂ tout en résistant à l'interférence de l'eau - un problème courant dans les matériaux de capture du carbone.
Les technologies de capture du CO₂ reposent sur des matériaux capables de piéger sélectivement le gaz à effet de serre dans les flux gazeux tout en minimisant la consommation d'énergie. Les adsorbants traditionnels, tels que les charbons actifs et les zéolithes, souffrent souvent d'une forte demande énergétique ou d'une faible sélectivité dans les environnements humides. En revanche, le CALF-20 se distingue par sa forte absorption de CO₂ et sa faible chaleur d'adsorption et de régénération. Il conserve une sélectivité élevée en adsorbant préférentiellement le CO₂ à l'eau dans des conditions modérément humides. CALF-20 capture le CO₂ plus efficacement et absorbe moins d'eau dans de telles conditions, par rapport à d'autres composés similaires largement étudiés. Tous ces MOF sont très poreux et constitués de grappes métal-oxygène, qui sont reliées de manière structurée par des piliers de produits chimiques organiques. Cet arrangement tridimensionnel conduit à des réseaux de cavités qui rappellent les pores d'une éponge de cuisine.
"Dans cette étude, nous avons utilisé une approche à multiples facettes pour étudier le comportement d'adsorption du CO₂ du CALF-20. En combinant la spectroscopie d'annihilation de positons (PALS), la diffraction in situ des rayons X sur poudre (PXRD) et des expériences d'adsorption de gaz, nous avons pu visualiser l'interaction entre les molécules de CO₂ et la structure interne du matériau à différentes températures et à différents niveaux d'humidité. Ces résultats fournissent des informations importantes pour l'optimisation des technologies de capture du CO₂ dans des environnements industriels réels", explique le Dr Ahmed Attallah de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR.
Une plongée dans les mécanismes d'adsorption
"PALS joue un rôle essentiel dans l'analyse des interactions entre les gaz et les matériaux poreux. Cette technique mesure la durée de vie du positronium, un état lié d'un électron et d'un positron, qui est sensible aux volumes libres locaux. Dans les matériaux poreux comme le CALF-20, la durée de vie du positronium indique les espaces vides, leur taille et leur évolution lorsque les molécules de gaz commencent à remplir les pores", explique le professeur Radosław Zaleski de l'université Maria Curie-Skłodowska de Lublin.
Grâce au PALS, les chercheurs ont observé que le CO₂ se rassemble d'abord au centre des nanopores de CALF-20, formant un arrangement structuré avant d'adhérer aux parois des pores. Cette progression est en corrélation avec l'augmentation de la pression de CO₂, ce qui confirme que PALS peut suivre les étapes de l'adsorption moléculaire en temps réel. La méthode a également révélé que même après que le CO₂ a rempli les pores, de petits volumes libres persistent, ce qui peut être essentiel pour améliorer l'efficacité de l'adsorption.
La méthode PALS s'est avérée particulièrement utile pour déterminer comment le CO₂ et l'eau interagissent à l'intérieur du matériau. Dans des conditions humides, les données PALS ont montré que l'eau forme des grappes isolées à faible humidité, mais qu'à des niveaux d'humidité plus élevés, elle forme des réseaux interconnectés. "Ces changements structurels affectent l'accessibilité des pores, mais le CALF-20 conserve son importante capacité d'adsorption du CO₂ à une humidité relative inférieure à 40 %. Les méthodes conventionnelles d'adsorption de gaz auraient du mal à résoudre ces fines variations structurelles, ce qui démontre la valeur unique de PALS dans l'analyse des interactions dynamiques gaz-matériau", résume le professeur Stefan Kaskel de la TUD.
L'impact de l'humidité : Un défi majeur dans la capture du CO₂
Dans les applications industrielles, le CO₂ est rarement capturé à partir de flux gazeux secs - l'humidité est presque toujours présente. Cela pose un problème pour de nombreux matériaux, car les molécules d'eau entrent souvent en concurrence avec le CO₂ pour les sites d'adsorption, ce qui réduit l'efficacité.
Grâce à des expériences in situ contrôlées par l'humidité, l'équipe a découvert que le CALF-20 conserve de bonnes performances d'adsorption du CO₂ même en présence d'eau, le niveau d'humidité relative définissant cette robustesse. En cas de faible humidité, les molécules d'eau restent isolées dans la structure. La formation de ce réseau modifie le volume libre du matériau, mais le CO₂ trouve toujours des sites d'adsorption disponibles, ce qui démontre la résistance du CALF-20 dans des conditions humides. À des niveaux d'humidité de plus en plus élevés, ils forment des réseaux interconnectés de liaisons hydrogène, ce qui permet à l'absorption d'eau de dominer.
En intégrant le PALS à d'autres techniques de caractérisation, cette étude permet de comprendre comment le CALF-20 capture le CO₂ dans diverses conditions environnementales. Les résultats suggèrent que CALF-20 pourrait servir de solution évolutive et économe en énergie pour le captage industriel du CO₂, en particulier dans les environnements où l'humidité constitue un défi. Mis au point par des chercheurs de l'université de Calgary, le CALF-20 a déjà été mis à l'échelle pour une production de plusieurs kilogrammes, ce qui en fait un candidat sérieux pour des applications dans le monde réel.
Les implications vont au-delà de la science fondamentale - ces connaissances pourraient ouvrir la voie à l'optimisation des MOF de la prochaine génération en vue d'un déploiement à grande échelle dans les applications de captage et de stockage du carbone (CSC). Les recherches ultérieures se concentreront sur la stabilité à long terme et l'intégration des processus, ce qui permettra de se rapprocher de la mise en œuvre du CALF-20 dans les stratégies industrielles d'atténuation du CO₂.
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