L’extraction sélective de molécules de gaz spécifiques à partir de mélanges gazeux est un défi chimique complexe, dont le succès offre d’importantes récompenses commerciales et environnementales. La capture du dioxyde de carbone (CO2) des gaz d’échappement industriels ou de l’atmosphère, par exemple, pourrait aider à atténuer le changement climatique. Des chercheurs de l’Université de Kyoto, avec des collègues en Chine, rapportent une nouvelle option économe en énergie dans la revue Communication Nature.
« Notre travail démontre des performances exceptionnelles de reconnaissance et de séparation des molécules en organisant délibérément la géométrie des pores, la flexibilité structurelle et les sites de liaison au niveau moléculaire au sein d’un polymère de coordination poreux (PCP) », déclare le chimiste Susumu Kitagawa, chef de l’équipe de recherche de l’Institut de l’Université de Kyoto. pour les sciences intégrées des matériaux cellulaires.
Les PCP, également connus sous le nom de structures métallo-organiques (MOF), ont des ions métalliques ou des clusters maintenus ensemble par des groupes de liaison organiques (à base de carbone). Le choix de différents composants métalliques et l’ajustement de la taille et de la structure des groupes organiques peuvent créer une grande variété de matériaux cristallins contenant des pores avec des tailles, des structures et des capacités de liaison chimique finement contrôlées. Le nouveau travail va cependant au-delà de cela, avec des pores qui s’adaptent lorsque les molécules souhaitées se lient à eux.
« Nous avons conçu un PCP flexible avec un système de canaux ondulés qui peut interagir avec et adsorber les molécules de CO2 en ouvrant sélectivement des pores qui agissent comme des portes, ne laissant passer que le CO2 », explique Ken-ichi Otake, également de l’équipe de Kyoto. La capture du CO2 est particulièrement difficile, explique-t-il, en raison de la taille relativement petite de la molécule et de sa faible affinité pour de nombreux matériaux adsorbants.
Le terme technique pour ce que l’interaction entre le CO2 et le PCP réalise est le déclenchement de la discrimination d’exclusion. Cela signifie que la liaison des molécules choisies comme cible d’extraction, dans ce cas le CO2, initie un changement structurel synergique qui améliore la liaison et ouvre la structure en phase solide pour laisser entrer la molécule liée.
L’équipe a démontré la puissance de leur système en l’utilisant pour recueillir le CO2 de mélanges contenant de nombreuses molécules importantes sur le plan industriel, notamment l’azote, le méthane, le monoxyde de carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’argon, l’éthane, l’éthène et l’éthyne.
Le processus est nettement plus économe en énergie que les options existantes, sur un cycle complet de capture et de régénération sélectives des gaz. Cela pourrait être important pour le développement de technologies de séparation des gaz plus durables pouvant soutenir des processus industriels à faible émission de carbone. L’efficacité énergétique sera également vitale pour tout effort d’ingénierie climatique à grande échelle visant à extraire le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Ces options ne seront pas pratiques si elles nécessitent la génération de grandes quantités d’énergie pour alimenter le cycle d’extraction, de libération et de stockage.
« En s’appuyant sur ce succès initial, les recherches futures permettront, espérons-le, des percées plus polyvalentes dans un large éventail de procédés d’extraction sélective de gaz », déclare le chercheur postdoctoral Yifan Gu, premier auteur du rapport de recherche.
Plus d’information:
Yifan Gu et al, canal ondulé souple avec porte de discrimination exclusive synergique pour la reconnaissance du CO2 dans le mélange gazeux, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39470-w