Dans une quête pour comprendre le processus de capture directe de l’air (DAC), des chercheurs du Laboratoire National d’Oak Ridge (USA) ont réalisé une étape significative. Cette compréhension pourrait tracer la route à une technologie DAC à grande échelle, rendant possible la réalisation d’émissions négatives.
La recherche récemment publiée s’est concentrée sur les étapes fondamentales de la séquestration du dioxyde de carbone en utilisant la glycine aqueuse, un acide aminé connu pour ses qualités absorbantes. En combinant une série de méthodes computationnelles avancées, les scientifiques ont sondé des phénomènes dynamiques moins explorés dans les solutions liquides liés au taux de capture du dioxyde de carbone.
Santanu Roy, qui a conçu l’enquête computationnelle avec son collègue Vyacheslav Bryantsev, a indiqué : « Les réactions chimiques dans l’eau sont compliquées, surtout lorsque le mouvement des molécules d’eau joue un grand rôle. Les molécules d’eau et les produits chimiques s’engagent dans quelque chose de similaire à une danse couplée qui peut ralentir marginalement ou significativement la réaction. Comprendre ces interactions dynamiques, connues sous le nom d’effets de solvant hors équilibre, est essentiel pour obtenir une image complète de comment fonctionnent les réactions et à quelle vitesse elles se produisent. »
Une approche plus complète de la capture du dioxyde de carbone
Les chercheurs ont découvert que lors de l’examen du taux d’absorption du dioxyde de carbone, se concentrer uniquement sur la barrière d’énergie libre – le seuil d’énergie qui doit être surmonté pour qu’un système passe d’un état à un autre – est une simplification qui ne donne pas une image complète. Cette approche incomplète peut conduire à une compréhension inexacte de la cinétique des réactions, les facteurs qui influencent la vitesse à laquelle une réaction se produit.
« Nous avons employé une approche plus complète qui considère l’influence de l’eau sur le mouvement le long du chemin de réaction, et le résultat était intrigant », a expliqué Vyacheslav Bryantsev. « L’étape initiale, où la glycine interagit avec le dioxyde de carbone, est près de 800 fois plus lente par rapport à l’étape suivante, où un proton est libéré pour finalement former un mélange d’état de produit pour retenir le dioxyde de carbone absorbé. De manière frappante, la barrière d’énergie libre reste constante pour les deux étapes, et donc cette perspective différente distingue vraiment la vitesse de ces deux étapes critiques et offre une voie pour augmenter l’efficacité de l’absorption et de la séparation du dioxyde de carbone. »
Vers des simulations à grande échelle
Les simulations de dynamique moléculaire ab initio extensives utilisées dans cette étude étaient encore limitées par leurs courtes échelles de temps et de longueur et les coûts computationnels élevés pour représenter les réactions chimiques.
« Pour les futurs projets, nous avons l’intention de combiner l’approche émergente de l’apprentissage machine avec des simulations de haute précision et de développer des potentiels d’interaction interatomique basés sur des réseaux neuronaux profonds. Cela nous permettra de réaliser des simulations moléculaires de haute précision à grande échelle avec des coûts computationnels significativement réduits », a précisé Xinyou Ma, qui a réalisé les simulations.
Santanu Roy a ajouté : « Alors que nous avons dépeint une image de la cinétique au niveau moléculaire de la capture du dioxyde de carbone par les acides aminés aqueux, l’accès à de grandes échelles de longueur et de temps grâce à l’utilisation de l’approche d’apprentissage machine nous aidera à comprendre les effets des facteurs macroscopiques tels que la température, la pression et la viscosité sur le DAC et comment ces effets sont liés à l’image moléculaire obtenue.»
En synthèse
Les résultats de l’étude éclairent les mécanismes complexes du DAC et soulignent le rôle vital de la cinétique, de la thermodynamique et des interactions moléculaires dans l’élimination du dioxyde de carbone de l’atmosphère par les acides aminés aqueux.
À mesure que ces mécanismes seront mieux compris, la perspective de déployer une technologie DAC à grande échelle deviendra plus réalisable. À l’échelle mondiale, plusieurs projets DAC différents sont à divers stades de recherche, de test et de développement.
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Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la capture directe de l’air (DAC) ?
La capture directe de l’air (DAC) est un processus en cours de développement visant à extraire le dioxyde de carbone (CO2) directement de l’atmosphère pour atteindre des émissions négatives, où la quantité de CO2 retirée de l’atmosphère dépasse la quantité émise.
2. Quel est le rôle de la glycine aqueuse dans cette recherche ?
La glycine aqueuse est un acide aminé utilisé dans cette étude pour ses qualités absorbantes. Les chercheurs ont étudié les étapes fondamentales de la séquestration du CO2 en utilisant la glycine aqueuse.
3. Quelle est l’importance des effets de solvant hors équilibre ?
Les effets de solvant hors équilibre sont des interactions dynamiques entre les molécules d’eau et les produits chimiques qui peuvent ralentir les réactions chimiques. Comprendre ces interactions est essentiel pour obtenir une image complète de la manière dont les réactions fonctionnent et de leur vitesse.
4. Quelle est la principale découverte de cette étude ?
Les chercheurs ont découvert que l’étape initiale de l’interaction entre la glycine et le CO2 est près de 800 fois plus lente que l’étape suivante, où un proton est libéré pour retenir le CO2 absorbé. Cette découverte offre une voie pour augmenter l’efficacité de l’absorption et de la séparation du CO2.
5. Quelles sont les perspectives pour les futurs projets ?
Les futurs projets visent à combiner l’apprentissage machine avec des simulations de haute précision pour réaliser des simulations moléculaires à grande échelle avec des coûts computationnels réduits. Cela permettra de mieux comprendre les effets des facteurs macroscopiques sur le DAC et leur relation avec l’image moléculaire obtenue.
Principaux enseignements
| Enseignement |
|---|
| La capture directe de l’air (DAC) vise à extraire le CO2 de l’atmosphère pour atteindre des émissions négatives. |
| La glycine aqueuse est utilisée pour ses qualités absorbantes dans la séquestration du CO2. |
| Les effets de solvant hors équilibre sont des interactions dynamiques qui peuvent ralentir les réactions chimiques. |
| L’étape initiale de l’interaction entre la glycine et le CO2 est près de 800 fois plus lente que l’étape suivante. |
| Les chercheurs ont utilisé une approche plus complète pour étudier la cinétique des réactions. |
| Les futurs projets combineront l’apprentissage machine et les simulations de haute précision. |
| Les réseaux neuronaux profonds permettront des simulations moléculaires à grande échelle avec des coûts computationnels réduits. |
| L’étude aide à mieux comprendre les effets des facteurs macroscopiques sur le DAC. |
| La perspective de déployer une technologie DAC à grande échelle devient plus réalisable. |
| Plusieurs projets DAC sont en cours de recherche, de test et de développement à l’échelle mondiale. |
Références
Légende illustration principale : L’équipe de recherche a combiné une série de méthodes de calcul avancées pour étudier des phénomènes dynamiques moins explorés dans les solutions liquides, liés à la vitesse à laquelle le dioxyde de carbone peut être capturé. Le processus de capture du carbone est illustré ci-dessus. Crédit : Santanu Roy/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Article : « An ab initio free energy study of the reaction mechanism and rate-limiting steps of CO2 capture by aqueous glycine » – DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101642
