À l’aide d’un polymère peu coûteux appelé mélamine, le principal composant de Formica, les chimistes ont créé un moyen peu coûteux, facile et économe en énergie de capturer le dioxyde de carbone des cheminées, un objectif clé pour les États-Unis et d’autres pays alors qu’ils cherchent à réduire les émissions de gaz à effet de serre. .
Le procédé de synthèse du matériau mélamine, publié cette semaine dans la revue Avancées scientifiques, pourraient éventuellement être réduites pour capturer les émissions provenant des gaz d’échappement des véhicules ou d’autres sources mobiles de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles représente environ 75 % de tous les gaz à effet de serre produits aux États-Unis.
Le nouveau matériau est simple à fabriquer, nécessitant principalement de la poudre de mélamine standard – qui coûte aujourd’hui environ 40 dollars la tonne – ainsi que du formaldéhyde et de l’acide cyanurique, un produit chimique qui, entre autres utilisations, est ajouté au chlore dans les piscines.
« Nous voulions réfléchir à un matériau de capture du carbone dérivé de sources vraiment bon marché et faciles à obtenir. Nous avons donc décidé de commencer par la mélamine », a déclaré Jeffrey Reimer, professeur à la Graduate School du Département de chimie et de Génie biomoléculaire à l’Université de Californie, Berkeley, et l’un des auteurs correspondants de l’article.
Le réseau dit poreux mélaminé capture le dioxyde de carbone avec une efficacité comparable aux premiers résultats d’un autre matériau relativement récent pour la capture du carbone, les cadres organométalliques ou MOF. Les chimistes de l’UC Berkeley ont créé le premier MOF de capture de carbone de ce type en 2015, et les versions ultérieures se sont révélées encore plus efficaces pour éliminer le dioxyde de carbone des gaz de combustion, tels que ceux d’une centrale électrique au charbon.
Mais Haiyan Mao, un boursier postdoctoral de l’UC Berkeley qui est le premier auteur de l’article, a déclaré que les matériaux à base de mélamine utilisent des ingrédients beaucoup moins chers, sont plus faciles à fabriquer et sont plus économes en énergie que la plupart des MOF. Le faible coût de la mélamine poreuse signifie que le matériau pourrait être largement déployé.
« Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la conception de matériaux moins chers pour la capture et le stockage et sur l’élucidation du mécanisme d’interaction entre le CO2 et le matériau », a déclaré Mao. « Ce travail crée une méthode d’industrialisation générale vers une capture durable du CO2 à l’aide de réseaux poreux. Nous espérons pouvoir concevoir un futur accessoire pour capturer les gaz d’échappement des voitures, ou peut-être un accessoire sur un bâtiment ou même un revêtement sur la surface des meubles. »
Le travail est une collaboration entre un groupe à l’UC Berkeley dirigé par Reimer; un groupe à l’Université de Stanford dirigé par Yi Cui, directeur du Precourt Institute for Energy, professeur invité Somorjai Miller à l’UC Berkeley et ancien boursier postdoctoral à l’UC Berkeley; Professeur UC Berkeley de la Graduate School Alexander Pines; et un groupe de la Texas A&M University dirigé par Hong-Cai Zhou. Jing Tang, boursier postdoctoral à Stanford et au Stanford Linear Accelerator Center et chercheur invité à l’UC Berkeley, est le co-premier auteur avec Mao.
Neutralité carbone d’ici 2050
Bien qu’il soit essentiel d’éliminer la combustion de combustibles fossiles pour enrayer le changement climatique, une stratégie intermédiaire majeure consiste à capturer les émissions de dioxyde de carbone – le principal gaz à effet de serre – et à stocker le gaz sous terre ou à transformer le CO2 en produits utilisables. Le département américain de l’Énergie a déjà annoncé des projets totalisant 3,18 milliards de dollars pour stimuler les technologies avancées et commercialement évolutives de capture, d’utilisation et de séquestration du carbone (CCUS) afin d’atteindre un objectif ambitieux d’efficacité de capture du CO2 dans les gaz de combustion de 90 %. L’objectif ultime des États-Unis est de zéro émission nette de carbone d’ici 2050.
Mais la capture du carbone est loin d’être commercialement viable. La meilleure technique consiste aujourd’hui à canaliser les gaz de combustion à travers des amines liquides, qui fixent le CO2. Mais cela nécessite de grandes quantités d’énergie pour libérer le dioxyde de carbone une fois qu’il est lié aux amines, afin qu’il puisse être concentré et stocké sous terre. Le mélange d’amines doit être chauffé entre 120 et 150 degrés Celsius (250-300 degrés Fahrenheit) pour régénérer le CO2.
En revanche, le réseau poreux de mélamine avec modification DETA et acide cyanurique capture le CO2 à environ 40 degrés Celsius, légèrement au-dessus de la température ambiante, et le libère à 80 degrés Celsius, en dessous du point d’ébullition de l’eau. Les économies d’énergie proviennent du fait de ne pas avoir à chauffer la substance à des températures élevées.
Dans ses recherches, l’équipe de Berkeley/Stanford/Texas s’est concentrée sur la mélamine polymère commune, qui est utilisée non seulement dans le Formica, mais aussi dans la vaisselle et les ustensiles bon marché, les revêtements industriels et d’autres plastiques. Le traitement de la poudre de mélamine avec du formaldéhyde, ce que les chercheurs ont fait en kilogrammes, crée des pores à l’échelle nanométrique dans la mélamine qui, selon les chercheurs, absorberaient le CO2.
Mao a déclaré que les tests ont confirmé que la mélamine traitée au formaldéhyde adsorbait quelque peu le CO2, mais l’adsorption pourrait être grandement améliorée en ajoutant un autre produit chimique contenant une amine, DETA (diéthylènetriamine), pour lier le CO2. Elle et ses collègues ont ensuite découvert que l’ajout d’acide cyanurique pendant la réaction de polymérisation augmentait considérablement la taille des pores et améliorait radicalement l’efficacité de capture du CO2 : presque tout le dioxyde de carbone dans un mélange de gaz de combustion simulé était absorbé en 3 minutes environ.
L’ajout d’acide cyanurique a également permis au matériau d’être utilisé encore et encore.
Mao et ses collègues ont mené des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide pour comprendre comment l’acide cyanurique et le DETA interagissaient pour rendre la capture du carbone si efficace. Les études ont montré que l’acide cyanurique forme de fortes liaisons hydrogène avec le réseau de mélamine qui aide à stabiliser le DETA, l’empêchant de s’échapper des pores de la mélamine lors de cycles répétés de capture et de régénération du carbone.
« Ce que Haiyan et ses collègues ont pu montrer avec ces techniques élégantes, c’est exactement comment ces groupes s’entremêlent, exactement comment le CO2 réagit avec eux, et qu’en présence de cet acide cyanurique qui ouvre les pores, elle est capable d’activer et de désactiver le CO2 de nombreux fois avec une capacité qui est vraiment très bonne », a déclaré Reimer. « Et la vitesse à laquelle le CO2 s’adsorbe est en fait assez rapide, par rapport à certains autres matériaux. Ainsi, tous les aspects pratiques à l’échelle du laboratoire de ce matériau pour la capture du CO2 ont été satisfaits, et il est tout simplement incroyablement bon marché et facile à fabriquer. »
« En utilisant des techniques de résonance magnétique nucléaire à l’état solide, nous avons systématiquement élucidé avec des détails sans précédent au niveau atomique le mécanisme de la réaction des réseaux amorphes avec le CO2 », a déclaré Mao. « Pour la communauté de l’énergie et de l’environnement, ce travail crée une famille de réseaux à semi-conducteurs hautes performances ainsi qu’une compréhension approfondie des mécanismes, mais encourage également l’évolution de la recherche sur les matériaux poreux des méthodes d’essais et d’erreurs vers des méthodes rationnelles, par étapes. -modulation par étape, au niveau atomique. »
Les groupes Reimer et Cui continuent de peaufiner la taille des pores et les groupes amines pour améliorer l’efficacité de capture du carbone des réseaux poreux de mélamine, tout en maintenant l’efficacité énergétique. Cela implique d’utiliser une technique appelée chimie combinatoire dynamique pour faire varier les proportions d’ingrédients afin d’obtenir une capture du CO2 efficace, évolutive, recyclable et de grande capacité.
Reimer et Mao ont également collaboré étroitement avec le groupe Cui à Stanford pour synthétiser d’autres types de matériaux, y compris membranes nanoporeuses hiérarchisées—une classe de nanocomposites combinés avec une sphère de carbone et de l’oxyde de graphène—et carbones nanoporeux hiérarchiques en bois de pin, pour adsorber le dioxyde de carbone. Reimer a développé la RMN à l’état solide spécifiquement pour caractériser le mécanisme par lequel les matériaux solides interagissent avec le dioxyde de carbone, afin de concevoir de meilleurs matériaux pour la capture du carbone de l’environnement et le stockage de l’énergie. Cui a développé une plate-forme à semi-conducteurs robuste et durable et des techniques de fabrication pour créer de nouveaux matériaux pour faire face au changement climatique et au stockage de l’énergie.
Haiyan Mao et al, Un réseau nanoporeux à l’état solide évolutif avec une conception d’interaction au niveau atomique pour la capture du dioxyde de carbone, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo6849