Des progrès significatifs ont été réalisés dans la création de technologies abordables et pratiques de captage du carbone. Les liquides captant le carbone, appelés solvants lorsqu'ils sont présents en abondance, peuvent capter efficacement le CO₂ molécules provenant des centrales électriques au charbon, des usines de papier et d’autres sources d’émissions. Cependant, tout cela fonctionne selon la même chimie fondamentale, du moins c'est ce que les chercheurs ont supposé.

Dans un nouvel ouvrage publié dans Nature Chemistry , les scientifiques ont été surpris de constater qu’un solvant familier est encore plus prometteur que prévu initialement. De nouveaux détails sur la structure sous-jacente du solvant suggèrent que le liquide pourrait contenir deux fois plus de CO₂ comme on le pensait auparavant. La structure récemment révélée pourrait également détenir la clé de la création d'une suite de matériaux à base de carbone qui pourraient aider à retenir encore plus de CO₂. hors de l'atmosphère.

L’équipe du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a développé le solvant il y a plusieurs années et l’a étudié dans divers scénarios. L'équipe s'est efforcée de réduire les coûts d'utilisation du solvant et d'augmenter son efficacité. L’année dernière, ils ont révélé le système de captage du carbone le moins coûteux à ce jour. C'est au cours de ces recherches que l'équipe a remarqué quelque chose d'étrange.

"Nous essayions de réaliser un type différent de séparation des gaz à haute pression", a déclaré David Heldebrant, chimiste du PNNL et auteur co-correspondant. "Nous avons constaté que la solution devenait beaucoup plus épaisse et qu'un nouveau pic apparaissait dans notre spectre, indiquant que quelque chose de nouveau s'était formé. C'était totalement inattendu et nous savions que nous devions aller au fond des choses."

Heldebrant a contacté ses collaborateurs de l'Université Claude Bernard Lyon 1 et de l'Université du Texas à El Paso pour les aider à démêler les changements moléculaires derrière les résultats.

"Ce travail est un véritable effort interdisciplinaire et collaboratif", a déclaré Jose Leobardo Bañuelos, professeur à l'Université du Texas à El Paso. "Les questions que nous devions poser nécessitaient plus qu'un simple type d'expertise. Nous avons examiné la structure globale du solvant lorsqu'il est exposé au CO₂. et nous avons vu beaucoup plus de commandes que prévu."

Il semblait que les molécules se regroupaient alors qu’elles auraient dû être appariées. Mais que signifiaient ces nouvelles structures bien ordonnées ?

Provoquer des changements via les clusters

Lorsque l'équipe a jeté un nouveau regard sur le solvant-CO₂ utilisant des outils de chimie analytique, ils ont détecté des amas de molécules de solvant auto-assemblés. Dans un premier temps, les chercheurs ont tenté d’adapter les données à un modèle utilisant seulement deux molécules de solvant. Malgré leurs attentes initiales, les données ne correspondaient tout simplement pas.

Lorsque les chercheurs ont utilisé un modèle avec quatre molécules de solvant, les résultats se sont mis en place. Un cluster à quatre composants était en fait la forme du solvant que l’équipe avait observé. La structure flexible peut subir une série de changements pour s'adapter au CO₂ entrant. molécules. Le CO₂ atteint finalement le cœur du cluster, qui abrite une poche de sites actifs qui peut être similaire à celles qui existent à l'intérieur des enzymes. En fait, la structure globale des clusters et les interactions semblent ressembler à des protéines.

La poche de liaison au site actif est au centre de la chimie nouvellement observée. En règle générale, les systèmes de captage du carbone fonctionnent avec un seul CO₂ molécule qui se lie et peut réagir pour former quelque chose de différent. Avoir tout contraint à des réactions impliquant un CO₂ limite les prochaines étapes de conversion du carbone. Le cluster permet quelque chose de différent.

Le pic inattendu trouvé initialement par l’équipe correspond à la formation d’une nouvelle espèce comprenant deux molécules différentes de CO₂ . Les clusters intègrent du CO₂ étape par étape, en capturant et en activant d’abord une molécule suivie de la seconde. Les données montrent un effet coopératif :avoir une molécule de CO₂ lié change la façon dont la deuxième molécule se lie.

"Nous sommes vraiment enthousiasmés par les nouvelles possibilités de conception de solvants que cela ouvre", a déclaré Heldebrant. "Si nous pouvons trouver des moyens d'intégrer intentionnellement une coopération qui améliore le CO₂ contraignant, nous pourrions changer le fonctionnement des systèmes de captage du carbone."

Trouver une nouvelle réactivité

Une fois les deux CO₂ les molécules sont à l'intérieur du cluster, elles peuvent réagir les unes avec les autres, créant différentes molécules à base de carbone qui pourraient élargir les utilisations potentielles du CO₂ capturé .

"Ce que nous faisons ici, c'est modifier une variable majeure du processus", a déclaré Heldebrant. "Historiquement, nous avons capturé chaque CO₂ tout seul. Lier deux CO₂ ensemble, cela pourrait nous aider à doubler efficacement la capacité de stockage de nos systèmes de capture."

Les molécules nouvellement connectées ont des propriétés très différentes de celles du CO₂ . Cela modifie la chimie requise pour séparer le carbone capturé du solvant. Ces CO₂ les molécules à base de CO₂ sont plus grosses et représentent un premier pas vers la création de CO₂ -polymères riches.

Un problème persistant concernant le carbone capturé est de savoir quoi en faire. Alors que le stockage à long terme du CO₂ est une option, mais elle présente des défis logistiques et peut ajouter des coûts à un processus de capture déjà coûteux. Trouver des moyens de convertir le CO₂ capturé en produits économiquement intéressants pourrait aider à compenser les coûts de capture et constituer une étape vers un cycle fermé du carbone.

En joignant deux CO₂ molécules ensemble au cours de l’étape de capture initiale, ce travail présente une nouvelle façon d’aborder la conversion et l’utilisation du carbone. Au lieu de commencer par CO₂ , les chercheurs pourraient avoir différentes options pour créer de nouveaux produits chimiques. Cela ouvre la porte à différents types de chimie auparavant considérés comme irréalistes pour le CO₂. conversion. Ces prochaines étapes potentielles ne sont possibles qu'en se concentrant sur la science fondamentale derrière le captage du carbone.

"Il y a tellement d'urgence à déployer des systèmes de captage du carbone", a déclaré Julien Leclaire, professeur à l'Université Claude Bernard Lyon 1 et co-auteur correspondant de l'article. "Nous n'explorons pas toujours les détails de ces processus à l'échelle moléculaire en raison de leur complexité. Mais nous pouvons parfois trouver des informations qui relient le comportement moléculaire et à grande échelle."

Outre Heldebrant, les chercheurs du PNNL comprennent Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo et Jaelynne King. Outre Leclaire, les chercheurs de l'Université Claude Bernard Lyon 1 comprennent Jean Septavaux et Marc Hennenbelle.