Le dioxyde de carbone (représenté en rouge et blanc à gauche) est le principal gaz à effet de serre qui réchauffe la Terre et est émis en grande quantité dans les gaz de combustion des centrales industrielles et électriques. Une nouvelle méthode pour éliminer le CO2 de ces gaz de combustion consiste à canaliser les émissions à travers un matériau poreux à base de mélamine chimique (au centre). Le DETA, un produit chimique lié à l'intérieur de la mélamine poreuse, capte le CO2 et l'élimine du gaz, avec de l'azote évacué dans l'atmosphère. Crédit :Haiyan Mao et Jeffrey Reimer, UC Berkeley
En utilisant 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 processus de synthèse du matériau mélamine, publié cette semaine dans la revue Science Advances , 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. /P>
"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, comme 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 le CO2 durable. capture 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 à 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, postdoctorant à Stanford et au Stanford Linear Accelerator Center et chercheur invité à 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 d'un montant total de 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 de CO des gaz de combustion2 capter l'objectif d'efficacité de 90 %. L'objectif ultime des États-Unis est de zéro émission nette de carbone d'ici 2050.
Les chercheurs de l'UC Berkeley ont développé une toute nouvelle famille de matériaux durables, évolutifs et à l'état solide - des réseaux nanoporeux de mélamine, stabilisés à l'acide cyanurique et à la polyamine - qui adsorbent spontanément le CO2 pour la capture et le stockage du carbone. Dans le graphique, les molécules de dioxyde de carbone (carbone en argent, oxygène en rouge) interagissent avec les amines du matériau (azote en bleu, hydrogène en vert), permettant au matériau d'adsorber le gaz des émissions des cheminées. Les boules jaunes avec des flèches représentent les isotopes du carbone 13 et leurs spins nucléaires, qui ont été utilisés dans les études RMN du matériau. Crédit :Haiyan Mao et Jeffrey Reimer, UC Berkeley
Mais la capture du carbone est loin d'être commercialement viable. La meilleure technique aujourd'hui consiste à canaliser les gaz de combustion à travers des amines liquides, qui lient 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 capte 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 qu'il n'est pas nécessaire de 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 le CO2 quelque peu, mais l'adsorption pourrait être grandement améliorée en ajoutant un autre produit chimique contenant une amine, le 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 le CO2 efficacité de capture :presque tout le dioxyde de carbone dans un mélange de gaz de combustion simulé a été 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 pendant les 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 de recycler le CO2 s'allume et s'éteint plusieurs fois avec une capacité qui est vraiment assez bonne", a déclaré Reimer. "Et le taux auquel le CO2 adsorbe est en fait assez rapide, par rapport à certains autres matériaux. Donc, tous les aspects pratiques à l'échelle du laboratoire de ce matériau pour le CO2 capture ont été satisfaites, et c'est juste incroyablement bon marché et facile à faire."
"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 haute performance ainsi qu'une compréhension approfondie des mécanismes, mais encourage également l'évolution de la recherche sur les matériaux poreux à partir d'essais et d'erreurs. méthodes de modulation rationnelle, étape 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 l'utilisation d'une technique appelée chimie combinatoire dynamique pour faire varier les proportions d'ingrédients afin d'obtenir un CO2 efficace, évolutif, recyclable et à haute capacité capturer.
Reimer et Mao ont également collaboré étroitement avec le groupe Cui de Stanford pour synthétiser d'autres types de matériaux, notamment des membranes nanoporeuses hiérarchiques - une classe de nanocomposites combinés à une sphère de carbone et de l'oxyde de graphène - et des carbones nanoporeux hiérarchiques fabriqués à partir de bois de pin, pour adsorber le carbone. dioxyde. 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. La capture du carbone prend la forme d'une éponge grâce à une nouvelle méthode économique
