Des matériaux activés par l’humidité pourraient rendre la capture du CO₂ dans l’air plus efficace

Au cours du siècle dernier, la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère a augmenté de façon dramatique. Cette hausse a contribué au réchauffement climatique et entraîné de nombreux effets néfastes, notamment des changements dans les régimes météorologiques et des sécheresses plus fréquentes. Il est urgent de réduire la quantité de dioxyde de carbone dans l’air pour protéger les écosystèmes et limiter les dommages futurs à la planète.

Paul V. Galvin, professeur Petra Fromme de l’ASU, à l’ École des Sciences Moléculaires (SMS), et son équipe, ont fait un pas important vers l’amélioration des technologies qui extraient directement le dioxyde de carbone de l’air – une approche considérée comme essentielle pour lutter contre le changement climatique.  L’équipe a examiné de près deux matériaux prometteurs qui peuvent capter le CO₂ en utilisant les variations d’humidité, un procédé à faible énergie connu sous le nom de capture directe d’air par « oscillation d’humidité » (DAC). Fromme est également directrice du Centre pour la Découverte Structurelle Appliquée de l’Institut Biodesign,

« Ce travail est si important car il montre pour la première fois la caractérisation structurelle de deux matériaux de capture directe d’air avec une combinaison unique de techniques allant de la diffraction des rayons X à la microscopie électronique et à la microscopie à force atomique, que nous avons combinées avec des études fonctionnelles sur les mécanismes d’oscillation d’humidité de liaison et de libération du dioxyde de carbone », explique Fromme.

Gayathri Yogaganeshan, étudiante en doctorat de Fromme, est premier auteur de l’article récemment publié dans Materials Today Chemistry.

« Notre recherche relève le défi urgent d’éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère en étudiant des matériaux pour la capture directe d’air à faible énergie activée par l’humidité », ajoute Yogaganeshan.

De nombreuses méthodes de réduction du carbone axées sur la remédiation ont été explorées. Elles comprennent la reforestation, la gestion agricole et des sols, la biominéralisation du carbone, la fertilisation des océans et la production de bioénergie avec capture et stockage du carbone (BECCS). La Capture Directe d’Air, associée à un stockage permanent, est une méthode alternative prometteuse qui capture le dioxyde de carbone directement dans l’air.

Cette étude examine deux polymères disponibles dans le commerce, Fumasep FAA-3 et IRA-900, pour voir leur efficacité dans une méthode de capture du carbone à faible énergie appelée capture directe d’air activée par l’humidité (DAC). L’objectif était de comprendre comment la structure de ces matériaux affecte leur capacité à adsorber et à libérer le dioxyde de carbone (CO₂).

Les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques d’imagerie et de rayons X pour examiner les structures des matériaux à différentes échelles. Ils ont également mené des expériences mesurant la quantité de CO₂ et d’eau adsorbée et libérée par les matériaux sous différents niveaux d’humidité.

Les résultats ont montré que les deux matériaux se comportent de manière similaire lors de l’adsorption et de la libération d’eau, suggérant que le mouvement de l’eau est principalement contrôlé par leur structure moléculaire. Cependant, leur capacité à capturer le CO₂ différait. Le matériau avec les pores plus larges, IRA-900, a capturé plus de CO₂ et plus rapidement. Des images supplémentaires ont révélé des caractéristiques comme des pores, un regroupement et un gonflement qui aident à expliquer ces différences.

Globalement, l’étude donne un aperçu du fonctionnement de ces matériaux pendant la capture du CO₂ et souligne le rôle important de l’humidité. Ces connaissances pourraient aider les chercheurs à concevoir des matériaux plus écoénergétiques pour la capture du carbone à l’avenir.

« En utilisant des techniques avancées de caractérisation structurelle incluant la diffraction des rayons X, SAXS/WAXS, la microscopie à force atomique, FIB-SEM et TEM, combinées à des expériences de sorption par oscillation d’humidité, nous avons relié l’ordre à l’échelle moléculaire, l’architecture des pores et la dynamique d’hydratation à l’absorption et à la libération du CO₂ », conclut Yogaganeshan.

« Nous avons constaté que la dynamique d’hydratation est principalement contrôlée par la structure moléculaire, tandis que la cinétique et la capacité de sorption du CO₂ sont fortement influencées par l’architecture des macropores et la densité des sites chargés, les structures plus ouvertes présentant une absorption améliorée et une cinétique initiale plus rapide. Les analyses de surface ont confirmé le regroupement, la porosité et le gonflement, révélant comment des caractéristiques structurelles subtiles régissent les performances. Ces informations fournissent une base pour concevoir des matériaux plus écoénergétiques pour l’élimination évolutive du dioxyde de carbone, avec des implications pour faire progresser les technologies pratiques de capture du carbone. »

Article : Comprehensive structural characterization of charged polymers involved in moisture-driven direct air capture – Journal : Materials Today Chemistry – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

* L’équipe comprend Gayathri Yogaganeshan, Raimund Fromme et Michele Zacks de la SMS, Rui Zhang du Centre des Matériaux Eyring de l’ASU, Jennifer Wade et Golnaz Najaf Tomaraei du Steve Sanghi College of Engineering, NAU, Sharang Sharang de Tescan USA Inc., Warrendale, Pennsylvanie, Douglas Yates du Singh Center for Nanotechnology, UPENN, Philadelphie, Pennsylvanie, Marlene Velazco Medel du Center for Negative Carbon Emissions, ASU, Martin Uher du Tescan Group a.s., Brno, République tchèque et Justin Flory du Walton Center for Planetary Health, ASU.

Source : Arizona State U.