Les chercheurs peuvent extraire le carbone directement de l’air en utilisant les variations d’humidité, maintenant avec des matériaux à une fraction du coût
Des scientifiques de l’université Northwestern ont élargi le potentiel de la technologie de capture du carbone qui extrait le CO2 directement de l’air en démontrant qu’il existe de nombreux matériaux appropriés et abondants qui peuvent faciliter la capture directe de l’air.
| Points forts |
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| La « grande majorité » des recherches sur le captage direct dans l’air par le biais des variations d’humidité de l’air s’appuie sur des résines échangeuses d’ions pour séquestrer le CO2 D’autres matériaux non testés jusqu’à présent, à double fonction, comme l’oxyde d’aluminium et le charbon actif, permettraient de réduire l’énergie et les coûts associés Le captage bon marché et évolutif du carbone sera essentiel pour réduire l’empreinte carbone de la planète |
Dans un article publié dans la revue Environmental Science & Technology, les chercheurs présentent de nouveaux matériaux moins coûteux qui facilitent l’oscillation de l’humidité afin de capturer puis de libérer le CO2 en fonction de la teneur en humidité de l’air local, la qualifiant d’« une des approches les plus prometteuses pour le captage du CO2 ».
Un outil essentiel pour lutter contre le changement climatique
Le CO2 atmosphérique continue d’augmenter et, malgré les efforts considérables déployés à l’échelle mondiale pour réduire les déchets de carbone, on s’attend à ce qu’il augmente encore au cours des prochaines décennies. L’exploration d’idées efficaces et économiques sur la manière de séquestrer l’excès de CO2 dans l’air peut aider à rattraper le retard en compensant les émissions de secteurs délocalisés tels que l’aviation et l’agriculture, où les émissions sont particulièrement difficiles à localiser et à capturer.
Le captage direct de l’humidité dans l’air (DAC), qui utilise les variations d’humidité pour capturer le carbone, sera au cœur des stratégies mondiales de lutte contre le changement climatique, mais son évolutivité a été limitée en raison de l’utilisation précédemment omniprésente de matériaux polymères artificiels appelés résines échangeuses d’ions. L’équipe a découvert qu’elle pouvait réduire les coûts et la consommation d’énergie en utilisant des matériaux durables, abondants et peu coûteux – souvent issus de déchets organiques ou de matières premières – pour rendre les technologies DAC moins chères et plus évolutives.
« L’étude présente et compare de nouvelles plateformes de nanomatériaux pour la capture du carbone à partir de l’humidité, en particulier des matériaux carbonés tels que le charbon actif, le graphite nanostructuré, les nanotubes de carbone et le graphite lamellaire, ainsi que des nanoparticules d’oxyde métallique, notamment des oxydes de fer, d’aluminium et de manganèse », précise John Hegarty, doctorant en science et ingénierie des matériaux à Northwestern et coauteur de l’étude. « Pour la première fois, nous avons appliqué un cadre expérimental structuré pour identifier le potentiel significatif de différents matériaux pour la capture du CO2. Parmi ces matériaux, l’oxyde d’aluminium et le charbon actif présentent la cinétique la plus rapide, tandis que l’oxyde de fer et le graphite nanostructuré sont ceux qui peuvent capturer le plus de CO2 ».
L’article démontre l’importance de la taille des pores d’un matériau (poches d’espace à l’intérieur des matériaux poreux où le dioxyde de carbone peut se nicher) pour prédire sa capacité à capturer le carbone. Les ingénieurs estiment que ce type de recherche contribuera à l’élaboration de principes de conception permettant d’améliorer les performances en modifiant la structure d’un matériau.
Capture du carbone à plus grande échelle
Les méthodes traditionnelles de capture directe du CO2 atmosphérique n’ont pas réussi à être compétitives sur de nombreux marchés en raison de leur coût élevé et de leur complexité technique. Des technologies DAC plus accessibles et moins coûteuses pourraient compenser les émissions des secteurs de l’agriculture, de l’aviation et de la fabrication du béton et de l’acier qu’il est difficile, voire impossible, de décarboner en recourant uniquement aux énergies renouvelables.
« La méthodologie de l’oscillation de l’humidité permet de séquestrer le CO2 à faible humidité et de le libérer à forte humidité, ce qui réduit ou élimine les coûts énergétiques associés au chauffage d’un matériau sorbant afin qu’il puisse être réutilisé », détaille Benjamin Shindel, titulaire d’un doctorat de l’école d’ingénieurs McCormick. Selon Shindel et les autres auteurs de l’étude, cette modalité est intéressante parce qu’elle permet d’éliminer le carbone à partir de pratiquement n’importe quel endroit et de tirer parti des synergies pour se connecter à d’autres systèmes qui fonctionneront selon un paradigme d’utilisation du carbone.
« Si vous concevez correctement votre système, vous pouvez vous appuyer sur des gradients naturels, par exemple, par le biais d’un cycle jour-nuit ou en exploitant deux volumes d’air dont l’un est humide et l’autre est déjà sec dans des zones géographiques où cela est logique », a déclaré le professeur d’ingénierie des matériaux Vinayak P. Dravid, qui a dirigé la recherche.
Après avoir déterminé pourquoi les résines échangeuses d’ions facilitaient si bien la capture – une combinaison de la taille idéale des pores et de la présence de groupes d’ions chargés négativement sur leurs surfaces auxquels le dioxyde de carbone peut s’attacher – l’équipe a identifié d’autres plates-formes plus abondantes et présentant des propriétés similaires, en mettant l’accent sur des matériaux qui n’imposeraient pas de contraintes supplémentaires à l’environnement.
Les publications antérieures tendent à regrouper les mécanismes de l’ensemble du système, ce qui rend difficile l’évaluation de l’impact des composants individuels sur les performances. M. Hegarty explique qu’en examinant systématiquement et spécifiquement chaque matériau, l’équipe a trouvé une fourchette moyenne de taille de pores « juste comme il faut » (entre 50 et 150 angströms environ) avec la capacité d’oscillation la plus élevée, en établissant une corrélation entre la surface des pores et la capacité des matériaux.
L’équipe prévoit d’approfondir sa compréhension du cycle de vie des nouveaux matériaux, notamment en ce qui concerne le coût global et la consommation d’énergie de la plateforme, et espère qu’elle incitera d’autres chercheurs à sortir des sentiers battus.
« Le captage du carbone n’en est qu’à ses débuts », a conclu M. Shindel. « La technologie ne fera que devenir moins chère et plus efficace jusqu’à ce qu’elle devienne une méthode viable pour atteindre les objectifs de réduction des émissions à l’échelle mondiale. Nous aimerions que ces matériaux soient testés à l’échelle dans le cadre d’études pilotes. »
L’article, “Platform materials for moisture-swing carbon capture,” – DOI : 10.1021/acs.est.4c11308
Légende illustration : Les chercheurs du Northwestern ont démontré que plusieurs matériaux abondants et peu coûteux, notamment le charbon actif, le graphite nanostructuré et les nanoparticules d’oxyde de fer et d’aluminium, peuvent faciliter le captage direct du CO2 dans l’air.
