Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont mis au point une méthode économique et économe en énergie pour fabriquer des matériaux capables de capturer le dioxyde de carbone directement de l’air. Cette innovation pourrait transformer les approches actuelles de la capture du carbone, souvent coûteuses et énergivores.
Les chercheurs ont utilisé une méthode similaire à celle de la charge d’une batterie pour charger du charbon actif, couramment utilisé dans les filtres à eau domestiques. En chargeant le charbon avec des ions formant des liaisons réversibles avec le CO2, ils ont découvert que le matériau chargé pouvait capturer efficacement le CO2 directement de l’air.
Le charbon actif chargé présente également une efficacité énergétique potentiellement supérieure aux approches actuelles de capture du carbone, car il nécessite des températures beaucoup plus basses pour libérer le CO2 capturé afin qu’il puisse être stocké. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature.
Un besoin urgent de réduire les émissions
« Capturer les émissions de carbone de l’atmosphère est une solution de dernier recours, mais compte tenu de l’urgence climatique, il est nécessaire d’explorer cette voie », a précisé le Dr Alexander Forse du Département de Chimie Yusuf Hamied, qui a dirigé la recherche. « La première et la plus urgente des actions est de réduire les émissions de carbone à l’échelle mondiale, mais l’élimination des gaz à effet de serre est également jugée nécessaire pour atteindre la neutralité carbone et limiter les pires effets du changement climatique. Réaliste, il faut tout faire pour y parvenir. »
La capture directe de l’air, qui utilise des matériaux spongieux pour éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère, est une approche potentielle pour la capture du carbone. Cependant, les méthodes actuelles sont coûteuses, nécessitent des températures élevées et l’utilisation de gaz naturel, et manquent de stabilité.
« Des travaux prometteurs ont été réalisés sur l’utilisation de matériaux poreux pour la capture du carbone de l’atmosphère », a ajouté Alexander Forse. « Nous voulions voir si le charbon actif pouvait être une option, car il est bon marché, stable et produit à grande échelle. »
Le processus de charge du charbon actif
Le charbon actif est utilisé dans de nombreuses applications de purification, telles que les filtres à eau, mais normalement, il ne peut pas capturer et retenir le CO2 de l’air. Forse et ses collègues ont proposé que si le charbon actif pouvait être chargé, comme une batterie, il pourrait devenir un matériau adapté à la capture du carbone.
Lors de la charge d’une batterie, des ions chargés sont insérés dans l’une des électrodes de la batterie. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que charger le charbon actif avec des composés chimiques appelés hydroxydes le rendrait apte à la capture du carbone, car les hydroxydes forment des liaisons réversibles avec le CO2.
Des résultats prometteurs
Le processus de charge, similaire à celui d’une batterie, a permis de charger un tissu de charbon actif bon marché avec des ions hydroxydes. Dans ce processus, le tissu agit essentiellement comme une électrode dans une batterie, et les ions hydroxydes s’accumulent dans les minuscules pores du charbon. À la fin du processus de charge, le charbon est retiré de la « batterie », lavé et séché.
Les tests du charbon actif chargé ont montré qu’il pouvait capturer efficacement le CO2 directement de l’air, grâce au mécanisme de liaison des hydroxydes.
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« C’est une nouvelle façon de fabriquer des matériaux, en utilisant un processus similaire à celui d’une batterie », a détaillé Alexander Forse. « Et les taux de capture du CO2 sont déjà comparables à ceux des matériaux existants. Mais ce qui est encore plus prometteur, c’est que cette méthode pourrait être beaucoup moins énergivore, car nous n’avons pas besoin de températures élevées pour collecter le CO2 et régénérer le charbon actif. »
Des perspectives d’avenir
Pour collecter le CO2 du charbon afin qu’il puisse être purifié et stocké, le matériau est chauffé pour inverser les liaisons hydroxide-CO2. Dans la plupart des matériaux actuellement utilisés pour la capture du CO2 de l’air, les matériaux doivent être chauffés à des températures allant jusqu’à 900°C, souvent en utilisant du gaz naturel. Les éponges de charbon actif chargées développées par l’équipe de Cambridge ne nécessitent qu’un chauffage à 90-100°C, des températures pouvant être atteintes en utilisant de l’électricité renouvelable. Les matériaux sont chauffés par chauffage résistif, ce qui les chauffe de l’intérieur vers l’extérieur, rendant le processus plus rapide et moins énergivore.
Les matériaux présentent cependant des limitations sur lesquelles les chercheurs travaillent actuellement. « Nous travaillons maintenant à augmenter la quantité de dioxyde de carbone qui peut être capturée, et en particulier dans des conditions humides où notre performance diminue », a indiqué encore Alexander Forse.
Les chercheurs estiment que leur approche pourrait être utile dans des domaines au-delà de la capture du carbone, car les pores du charbon et les ions insérés peuvent être ajustés pour capturer une gamme de molécules.
« Cette approche était une sorte d’idée folle que nous avons eue pendant les confinements de Covid-19, donc c’est toujours excitant quand ces idées fonctionnent réellement », a conclu Alexander Forse. « Cette approche ouvre la porte à la fabrication de toutes sortes de matériaux pour différentes applications, de manière simple et économe en énergie. »
Un brevet a été déposé et la recherche est en cours de commercialisation avec le soutien de Cambridge Enterprise, le bras de commercialisation de l’Université.
La recherche a été soutenue en partie par la Leverhulme Trust, la Royal Society, le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation (UKRI), et le Cambridge Centre for Climate Repair.
Article : « Capturing carbon dioxide from air with charged sorbents » – DOI: 10.1038/s41586-024-07449-2
