Une nouvelle ère dans la capture sélective de gaz, en particulier du CO2, a vu le jour à l’Institut des Sciences Intégrées des Cellules-Matériaux de l’Université de Kyoto, grâce à une nouvelle conception ingénieuse de polymères de coordination poreux (PCP).
Le PCP, également connu sous le nom de framework métallo-organique (MOF), se compose de groupes de liaisons organiques qui retiennent des ions ou des grappes métalliques. Les chercheurs ont pu concevoir une variété incroyable de matériaux cristallins en jouant sur le choix des composants métalliques et la taille ainsi que la structure des groupes organiques. Ces derniers peuvent constituer des pores aux capacités de liaison chimique, aux structures et aux tailles finement contrôlées.
« Notre travail met en évidence la performance exceptionnelle de reconnaissance et de séparation de molécules en organisant de manière délibérée la géométrie des pores, la flexibilité structurelle et les sites de liaison au niveau moléculaire à l’intérieur d’un polymère de coordination poreux (PCP)« , indique le chimiste Susumu Kitagawa, chef de l’équipe de recherche.
Un système de canaux adaptatif
L’équipe de Kyoto a ajouté une nouvelle dimension à cette approche en créant un PCP flexible doté d’un système de canaux ondulés qui s’adapte lors de la liaison avec les molécules désirées.
« Nous avons conçu un PCP flexible avec un système de canaux ondulés qui peut interagir avec et adsorber les molécules de CO2 en ouvrant sélectivement des pores qui agissent comme des portes, permettant uniquement au CO2 de passer« , explique Ken-ichi Otake, également membre de l’équipe de Kyoto. Selon lui, la capture du CO2 est particulièrement délicate en raison de la petite taille de la molécule et de sa faible affinité pour de nombreux matériaux adsorbants.
Une technique d’exclusion discriminante
Le terme technique de cette interaction entre le CO2 et le PCP est l’exclusion discriminante. Cela signifie que la liaison des molécules choisies comme cible d’extraction, en l’occurrence le CO2, provoque un changement structurel synergique qui renforce la liaison et ouvre la structure de la phase solide pour permettre à la molécule liée d’entrer.
L’équipe a démontré la puissance de leur système en l’utilisant pour collecter le CO2 à partir de mélanges contenant de nombreuses molécules d’importance industrielle, dont l’azote, le méthane, le monoxyde de carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’argon, l’éthane, l’éthène et l’éthyne.
Efficacité énergétique et applications futures
Le procédé se révèle nettement plus éco-énergétique que les options actuelles, sur l’ensemble du cycle de capture sélective de gaz et de régénération. Cela pourrait s’avérer crucial pour le développement de technologies de séparation de gaz plus durables qui peuvent favoriser des processus industriels à faible émission de carbone. L’efficacité énergétique sera également déterminante pour toute tentative d’ingénierie climatique à grande échelle visant à extraire le dioxyde de carbone de l’atmosphère.
Yifan Gu, chercheur postdoctoral et premier auteur du rapport de recherche, est optimiste quant à l’avenir : « En se basant sur ce premier succès, nous espérons que les recherches futures réaliseront des percées plus polyvalentes dans un large éventail de processus d’extraction de gaz sélectifs« .
En synthèse
La conception innovante d’un polymère de coordination poreux flexible à l’Université de Kyoto représente une avancée majeure dans le domaine de la capture sélective de gaz. Non seulement cette approche offre une nouvelle méthode de séquestration du CO2, mais elle le fait également de manière éco-énergétique.
Légende illustration principale : Des chercheurs ont mis au point un nouveau matériau poreux flexible qui ouvre des portes et n’adsorbe que le dioxyde de carbone parmi diverses molécules de gaz similaires. Crédit : Mindy Takamiya/Kyoto University iCeMS
« Canal ondulé souple avec discrimination exclusive synergique pour la reconnaissance du CO2 dans un mélange de gaz » Auteurs：Yifan Gu, Jia-Jia Zheng, Ken-ichi Otake, Shigeyoshi Sakaki, Hirotaka Ashitani, Yoshiki Kubota, Shogo Kawaguchi, Ming-Shui Yao, Ping Wang, Ying Wang, Fengting Li, et Susumu Kitagawa – Article : https://doi.org/10.1038/s41467-023-39470-w
