Comment pouvons-nous éliminer le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, des gaz d’échappement des centrales électriques à combustible fossile avant qu’il n’atteigne l’atmosphère ? De nouvelles découvertes suggèrent qu’une réponse prometteuse réside dans un matériau simple, économique et potentiellement réutilisable analysé au National Institute of Standards and Technology (NIST), où des scientifiques de plusieurs institutions ont déterminé pourquoi ce matériau fonctionne aussi bien.
L’objet d’étude de l’équipe est le formiate d’aluminium, qui fait partie d’une classe de substances appelées structures organométalliques (MOF). En tant que groupe, les MOF ont montré un grand potentiel pour filtrer et séparer les matières organiques – souvent les divers hydrocarbures des combustibles fossiles – les unes des autres. Certains MOF se sont révélés prometteurs pour le raffinage du gaz naturel ou la séparation des composants d’octane de l’essence ; d’autres pourraient contribuer à réduire le coût de fabrication des plastiques ou à convertir à moindre coût une substance en une autre. Leur capacité à effectuer de telles séparations provient de leur nature intrinsèquement poreuse.
Le formiate d’aluminium, que les scientifiques appellent ALF, a le talent de séparer le dioxyde de carbone (CO2) des autres gaz qui s’échappent généralement des cheminées des centrales électriques au charbon. Il manque également les défauts des autres matériaux de filtration au carbone proposés, a déclaré Hayden Evans du NIST, l’un des principaux auteurs du document de recherche de l’équipe, publié aujourd’hui dans la revue à comité de lecture. Les avancées scientifiques.
« Ce qui rend ce travail passionnant, c’est que l’ALF fonctionne très bien par rapport à d’autres adsorbants de CO2 très performants, mais il rivalise avec les composés de conception par sa simplicité, sa stabilité globale et sa facilité de préparation », a déclaré Evans, chimiste au NIST Center for Neutron Research. (NCNR). « Il est composé de deux substances que l’on trouve facilement et en abondance, donc créer suffisamment d’ALF pour une utilisation à grande échelle devrait être possible à très faible coût. »
L’équipe de recherche comprend des scientifiques de l’Université nationale de Singapour ; l’Agence de Singapour pour la science, la technologie et la recherche ; l’Université du Delaware; et l’Université de Californie, Santa Barbara.
Les centrales au charbon représentent environ 30 % des émissions mondiales de CO2. Même si le monde adopte d’autres sources d’énergie telles que l’énergie solaire et éolienne qui ne génèrent pas de gaz à effet de serre, trouver un moyen de réduire la production de carbone des centrales existantes pourrait aider à atténuer leurs effets pendant qu’elles restent en activité.
Épurer le CO2 des gaz de combustion avant qu’il n’atteigne l’atmosphère en premier lieu est une approche logique, mais il s’est avéré difficile de créer un épurateur efficace. Le mélange de gaz qui s’écoule dans les cheminées des centrales électriques au charbon est généralement assez chaud, humide et corrosif, des caractéristiques qui ont rendu difficile la recherche d’un matériau économique capable de faire le travail efficacement. Certains autres MOF fonctionnent bien mais sont constitués de matériaux coûteux ; d’autres sont moins coûteux en eux-mêmes mais ne fonctionnent correctement que dans des conditions sèches, nécessitant une « étape de séchage » qui réduit l’humidité du gaz mais augmente le coût global du processus de lavage.
« Mettez tout cela ensemble, vous avez besoin d’une sorte de matériau miracle », a déclaré Evans. « Ici, nous avons réussi à cocher toutes les cases sauf la stabilité dans des conditions très humides. Cependant, l’utilisation d’ALF serait suffisamment peu coûteuse pour qu’une étape de séchage devienne une option viable. »
L’ALF est fabriqué à partir d’hydroxyde d’aluminium et d’acide formique, deux produits chimiques abondants et facilement disponibles sur le marché. Cela coûterait moins d’un dollar par kilogramme, a déclaré Evans, ce qui est jusqu’à 100 fois moins cher que d’autres matériaux aux performances similaires. Le faible coût est important car la capture du carbone dans une seule usine peut nécessiter jusqu’à des dizaines de milliers de tonnes de matériau de filtration. La quantité nécessaire pour le monde entier serait énorme.
À l’échelle microscopique, l’ALF ressemble à une cage métallique tridimensionnelle avec d’innombrables petits trous. Ces trous sont juste assez grands pour permettre aux molécules de CO2 d’entrer et d’être piégées, mais juste assez petits pour exclure les molécules d’azote légèrement plus grosses qui constituent la majorité des gaz de combustion. Les travaux de diffraction des neutrons au NCNR ont montré à l’équipe comment les cages individuelles du matériau s’accumulent et se remplissent de CO2, révélant que les molécules de gaz s’intègrent à l’intérieur de certaines cages au sein de l’ALF comme une main dans un gant, a déclaré Evans.
Malgré son potentiel, ALF n’est pas prêt pour une utilisation immédiate. Les ingénieurs auraient besoin de concevoir une procédure pour créer ALF à grande échelle. Une centrale au charbon aurait également besoin d’un procédé compatible pour réduire l’humidité des gaz de combustion avant de les épurer. Evans a déclaré que l’on comprend déjà beaucoup de choses sur la manière de résoudre ces problèmes et qu’ils ne rendraient pas le coût d’utilisation de l’ALF prohibitif.
Que faire du CO2 par la suite est également une question majeure, a-t-il dit, bien que ce soit un problème pour tous les matériaux de capture du carbone. Des efforts de recherche sont en cours pour le convertir en acide formique, qui n’est pas seulement une matière organique naturelle, mais aussi l’un des deux constituants de l’ALF. L’idée ici est que l’ALF pourrait faire partie d’un processus cyclique où l’ALF élimine le CO2 des flux d’échappement et que le CO2 capturé est utilisé pour créer plus d’acide formique. Cet acide formique serait ensuite utilisé pour fabriquer plus d’ALF, réduisant encore l’impact global et le coût du cycle des matériaux.
« Il y a beaucoup de recherches en cours de nos jours sur le problème de savoir quoi faire avec tout le CO2 capturé », a déclaré Evans. « Il semble possible que nous puissions éventuellement utiliser l’énergie solaire pour séparer l’hydrogène de l’eau, puis combiner cet hydrogène avec le CO2 pour produire plus d’acide formique. Combiné avec l’ALF, c’est une solution qui aiderait la planète. »
Plus d’information:
Hayden A. Evans et al, Formiate d’aluminium, Al(HCOO)3 : un matériau abondant sur terre, évolutif et hautement sélectif pour la capture du CO2, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.ade1473. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade1473