La réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO₂) est une étape cruciale pour atténuer le changement climatique et protéger l’environnement sur Terre. L’une des technologies proposées pour réduire les émissions de CO₂, en particulier celles des centrales électriques et des établissements industriels, est le captage du carbone.
La capture du carbone consiste à séparer le CO₂ des émissions de gaz mixtes et à le capturer pour empêcher sa libération dans l’atmosphère. Une approche consiste à utiliser des membranes spéciales qui servent de « barrières » sélectives, permettant au CO₂ de les traverser et de l’absorber, tout en bloquant le passage des autres gaz.
Jusqu’à présent, le développement de membranes performantes et peu coûteuses capables de capturer le CO₂ s’est avéré difficile. Cela a considérablement réduit le potentiel de ces solutions pour des applications concrètes.
Des chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont récemment présenté de nouvelles membranes en graphène qui pourraient permettre une capture du carbone à haute performance. Ces membranes, présentées dans un article publié dans Énergie naturelleincorporent de l’azote pyridinique à leurs bords de pores, ce qui facilite la liaison du CO₂ à ses pores.
« Nous cherchions à améliorer les performances de séparation des membranes de graphène », a déclaré à Phys.org Kumar Varoon Agrawal, auteur correspondant de l’article. « Nous avons beaucoup travaillé pour augmenter la porosité du graphène, améliorer la distribution de la taille des pores et ajouter des groupes polymères aux pores pour améliorer la sélectivité CO2/N2 ainsi qu’obtenir une perméance élevée au CO2. Cependant, nous avons obtenu soit une perméance élevée, soit une sélectivité élevée, mais pas les deux. »
Après avoir examiné la littérature existante et mené leurs propres études visant à développer des membranes pour la capture du carbone, Agrawal et ses collègues ont réalisé qu’il manquait encore des membranes à base de graphène présentant à la fois une sélectivité et une perméance élevées. Pour progresser vers le développement de ces solutions, ils ont entrepris de concevoir une méthode qui améliorerait la liaison du CO₂ aux pores du graphène.
La méthode qu’ils ont proposée consiste à exposer de l’ammoniac à une couche unique de graphène oxydé à température ambiante. On a découvert que ce procédé incorporait de l’azote pyridinique aux bords des pores de la membrane, ce qui renforce la liaison de ces pores avec le CO2.
« Nous avons introduit de l’azote atomique dans les pores du graphène sous forme d’azote pyridinique », a déclaré Agrawal. « Cette forme d’azote a une forte affinité avec le CO2. Cette approche est bénéfique car le réseau de graphène reste fin comme un atome et nous permet d’obtenir à la fois une sélectivité et une perméance élevées. »
Les chercheurs ont découvert que leur méthode permettait d’obtenir des membranes avec un facteur de séparation CO2/N2 moyen prometteur de 53 et une perméance moyenne au CO2 de 10 420 à partir d’un flux contenant 20 % en volume de CO2. Pour un flux de CO2 dilué avec un % en volume d’environ 1, la membrane a atteint des facteurs de séparation supérieurs à 1 000.
« Nous avons pu réaliser l’incorporation d’azote pyridinique par une méthode simple, en trempant simplement du graphène poreux dans de l’ammoniac », a déclaré Agrawal. « Nous avons constaté que cela conduisait à une amélioration remarquable de la sélectivité CO2/N2 tout en maintenant une perméance exceptionnelle. De plus, cela a conduit à une sélectivité CO2/N2 extrêmement élevée pour l’alimentation en CO2 dilué, supérieure à 1 000, ce qui est extrêmement intéressant. »
Les membranes de graphène développées par Agrawal et ses collègues et l’approche utilisée pour les fabriquer pourraient ouvrir de nouvelles perspectives pour la mise en œuvre à grande échelle de techniques de capture du carbone. Les chercheurs travaillent actuellement à la mise à l’échelle des membranes et à la simplification de leur fabrication par synthèse en rouleau, afin de faciliter leur future commercialisation.
Plus d’information:
Kuang-Jung Hsu et al, Membranes de graphène avec de l’azote pyridinique aux bords des pores pour une capture de CO2 à haute performance, Énergie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
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