Des chercheurs de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie ont découvert comment utiliser un matériau miracle, capable d’extraire de la valeur du dioxyde de carbone capturé, et de faire ce que personne d’autre n’a fait : le rendre pratique à fabriquer pour une application à grande échelle. .
La percée du groupe de laboratoire du professeur adjoint de génie chimique Gaurav « Gino » Giri a des implications pour l’assainissement des gaz à effet de serre, un contributeur majeur au dilemme du changement climatique. Cela pourrait également contribuer à répondre aux besoins énergétiques mondiaux.
La substance, appelée MOF-525, appartient à une classe de matériaux appelés structures métallo-organiques.
« Si vous parvenez à faire en sorte que ces MOF couvrent de vastes zones, de nouvelles applications deviennent alors possibles, comme la création d’une membrane pour le captage du carbone et la conversion électrocatalytique dans un seul système », a déclaré Giri.
La conversion électrocatalytique crée un pont entre les sources d’énergie renouvelables et la synthèse chimique directe, éliminant ainsi de l’équation la combustion de combustibles fossiles producteurs de dioxyde de carbone.
Ce qui confère aux MOF leurs super pouvoirs, ce sont leurs structures cristallines ultra-poreuses – des réseaux 3D de minuscules cavités à l’échelle nanométrique qui créent une vaste surface interne et agissent comme une éponge – qui peuvent être conçues pour piéger toutes sortes de composés chimiques.
Une solution de pointe
Le groupe de Giri a estimé que commencer par une technique de synthèse intrinsèquement évolutive – le cisaillement de solution – améliorerait leurs chances. Ils avaient déjà réussi à cisailler des MOF plus simples.
Dans le procédé Giri, les composants du MOF sont mélangés dans une solution, puis étalés sur un substrat avec la lame de cisaille. À mesure que la solution s’évapore, des liaisons chimiques forment le MOF sous la forme d’un film mince sur le substrat. L’application du MOF-525 de cette manière produit une membrane tout-en-un pour le piégeage et la conversion du carbone.
« Plus la membrane est grande, plus vous disposez de surface pour la réaction et plus vous pouvez obtenir de produit », a déclaré Prince Verma, doctorant en décembre 2023. diplômé du laboratoire de Giri. « Avec ce processus, vous pouvez augmenter la largeur de la lame de cisaillement à la taille dont vous avez besoin. »
L’équipe a ciblé la conversion du CO2 pour démontrer son approche de cisaillement de solutions, car le captage du carbone est largement utilisé pour réduire les émissions industrielles ou pour l’éliminer de l’atmosphère, mais à un coût pour les opérateurs avec un retour sur investissement minimal : le dioxyde de carbone a peu de valeur commerciale et la plupart finit souvent stocké indéfiniment sous terre.
Cependant, avec un apport d’énergie minimal, en utilisant l’électricité pour catalyser une réaction, le MOF-525 peut extraire un atome d’oxygène pour produire du monoxyde de carbone, un produit chimique précieux pour la fabrication de carburants, de produits pharmaceutiques et d’autres produits.
Les chercheurs a publié ses conclusions dans la revue de l’American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces. Connor A. Koellner, Hailey Hall, Meagan R. Phister, Kevin H. Stone, Asa W. Nichols, Ankit Dhakal et Earl Ashcraft ont également contribué aux travaux.
Plus d’information:
Prince K. Verma et al, Solution Shearing of Zirconium (Zr)-Based Metal–Organic Frameworks NU-901 et MOF-525 Thin Films for Electrocatalytic Reduction Applications, Matériaux et interfaces appliqués ACS (2023). DOI : 10.1021/acsami.3c12011