L’argile peut-elle capturer le dioxyde de carbone ?

Le niveau de dioxyde de carbone dans l’atmosphère – un gaz qui piège la chaleur et contribue au changement climatique – a presque doublé par rapport à ce qu’il était avant la révolution industrielle, mais il ne constitue que 0,0415 % de l’air que nous respirons.

Cela représente un défi pour les chercheurs qui tentent de concevoir des arbres artificiels ou d’autres méthodes permettant de capturer le dioxyde de carbone directement dans l’air. C’est ce défi que tente de résoudre une équipe de scientifiques dirigée par les Sandia National Laboratories.

Dirigée par Tuan Ho, ingénieur chimiste de Sandia, l’équipe a utilisé de puissants modèles informatiques combinés à des expériences en laboratoire pour étudier comment une sorte d’argile peut absorber le dioxyde de carbone et le stocker.

Les scientifiques ont fait part de leurs premières conclusions dans un article publié en début de semaine dans The Journal of Physical Chemistry Letters.

« Ces résultats fondamentaux ont un potentiel pour le captage direct dans l’air ; c’est ce à quoi nous travaillons« , a déclaré Ho, auteur principal de l’article. « L’argile est vraiment peu coûteuse et abondante dans la nature. Cela devrait nous permettre de réduire considérablement le coût de la capture directe du carbone dans l’air, si ce projet à haut risque et à haute récompense débouche finalement sur une technologie.« 

Pourquoi capturer le carbone ?

Le piégeage et la séquestration du carbone consistent à capturer l’excès de dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre et à le stocker en profondeur dans le but de réduire les effets du changement climatique, tels que la fréquence accrue des tempêtes violentes, l’élévation du niveau des mers et l’augmentation des sécheresses et des incendies de forêt.

Ce dioxyde de carbone pourrait être capturé dans des centrales électriques alimentées par des combustibles fossiles ou dans d’autres installations industrielles telles que des fours à ciment, ou encore directement dans l’air, ce qui est plus difficile sur le plan technologique. La capture et la séquestration du carbone sont largement considérées comme l’une des technologies les moins controversées envisagées pour intervenir sur le climat.

« Nous aimerions disposer d’une énergie peu coûteuse, sans pour autant détruire l’environnement« , a déclaré Susan Rempe, bio-ingénieur chez Sandia et scientifique principale du projet. « Nous pouvons vivre de manière à ne pas produire autant de dioxyde de carbone, mais nous ne pouvons pas contrôler ce que font nos voisins. La capture directe du carbone dans l’air est importante pour réduire la quantité de dioxyde de carbone dans l’air et atténuer le dioxyde de carbone que nos voisins rejettent.

M. Ho imagine que les dispositifs à base d’argile pourraient être utilisés comme des éponges pour absorber le dioxyde de carbone, puis le dioxyde de carbone pourrait être « pressé » hors de l’éponge et pompé en profondeur. L’argile pourrait aussi être utilisée comme un filtre pour capturer le dioxyde de carbone de l’air et le stocker.

« Outre le fait qu’elle est bon marché et largement disponible, l’argile est également stable et possède une grande surface. Elle est composée de nombreuses particules microscopiques qui présentent à leur tour des fissures et des crevasses environ cent mille fois plus petites que le diamètre d’un cheveu humain. Ces minuscules cavités sont appelées nanopores, et les propriétés chimiques peuvent changer à l’intérieur de ces pores nanométriques », a expliqué Rempe.

Ce n’est pas la première fois que Mme Rempe étudie des matériaux nanostructurés pour capturer le dioxyde de carbone. En effet, elle fait partie d’une équipe qui a étudié un catalyseur biologique permettant de convertir le dioxyde de carbone en bicarbonate stable dans l’eau, qui a conçu une fine membrane nanostructurée pour protéger le catalyseur biologique et qui a obtenu un brevet pour sa membrane bio-inspirée capturant le carbone.

« Bien entendu, cette membrane n’est pas fabriquée à partir d’argile bon marché et a été initialement conçue pour fonctionner dans des centrales électriques utilisant des combustibles fossiles ou dans d’autres installations industrielles, a précisé M. Rempe. « Il s’agit de deux solutions complémentaires possibles au même problème », a-t-elle ajouté.

Comment simuler à l’échelle nanométrique ?

La dynamique moléculaire est un type de simulation informatique qui étudie les mouvements et les interactions des atomes et des molécules à l’échelle nanométrique. En observant ces interactions, les scientifiques peuvent calculer la stabilité d’une molécule dans un environnement particulier, par exemple dans des nanopores d’argile remplis d’eau.

« La simulation moléculaire est vraiment un outil puissant pour étudier les interactions à l’échelle moléculaire« , a déclaré Ho. « Elle nous permet de comprendre pleinement ce qui se passe entre le dioxyde de carbone, l’eau et l’argile, et l’objectif est d’utiliser ces informations pour concevoir un matériau argileux pour des applications de capture du carbone. »

« Dans ce cas, les simulations de dynamique moléculaire réalisées par Ho ont montré que le dioxyde de carbone peut être beaucoup plus stable dans les nanopores d’argile humide que dans l’eau ordinaire, a déclaré Ho. « En effet, les atomes de l’eau ne partagent pas leurs électrons de manière égale, ce qui fait qu’une extrémité est légèrement chargée positivement et l’autre négativement. En revanche, les atomes du dioxyde de carbone partagent leurs électrons de manière égale et, comme l’huile mélangée à l’eau, le dioxyde de carbone est plus stable à proximité de molécules similaires, comme les régions silicium-oxygène de l’argile, a expliqué M. Rempe.

Des collaborateurs de l’université de Purdue, dirigés par le professeur Cliff Johnston, ont récemment utilisé des expériences pour confirmer que l’eau confinée dans des nanopores d’argile absorbe davantage de dioxyde de carbone que l’eau ordinaire, a indiqué M. Ho.

Le chercheur postdoctoral de Sandia, Nabankur Dasgupta, a également découvert qu’à l’intérieur des régions huileuses des nanopores, « il faut moins d’énergie pour convertir le dioxyde de carbone en acide carbonique, ce qui rend la réaction plus favorable par rapport à la même conversion dans l’eau ordinaire, a déclaré Ho. En rendant cette conversion favorable et en exigeant moins d’énergie, les régions huileuses des nanopores d’argile permettent finalement de capturer davantage de dioxyde de carbone et de le stocker plus facilement, a-t-il ajouté.

« Jusqu’à présent, cela nous indique que l’argile est un bon matériau pour capturer le dioxyde de carbone et le convertir en une autre molécule« , a déclaré Rempe. « Et nous comprenons pourquoi il en est ainsi, de sorte que les synthétiseurs et les ingénieurs peuvent modifier le matériau pour l’améliorer. Les simulations peuvent également guider les expériences pour tester de nouvelles hypothèses. »

Les prochaines étapes du projet consisteront à utiliser des simulations de dynamique moléculaire et des expériences pour déterminer comment faire sortir le dioxyde de carbone du nanopore, a indiqué M. Ho. À la fin de ce projet de trois ans, ils prévoient de conceptualiser un dispositif de capture du carbone par air direct à base d’argile.

Légende / Susan Rempe, bio-ingénieur des Sandia National Laboratories, à gauche, et Tuan Ho, ingénieur chimiste, observent une représentation artistique de la structure chimique d’un type d’argile. Leur équipe étudie comment l’argile pourrait être utilisée pour capturer le dioxyde de carbone.

CREDIT : Photo by Craig Fritz/Sandia National Laboratories

Le projet est financé par le programme Laboratory Directed Research and Development de Sandia. Les recherches ont été effectuées, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation d’utilisateur de l’Office of Science exploitée pour le ministère de l’Énergie par les laboratoires nationaux de Sandia et de Los Alamos.

Sandia National Laboratories est un laboratoire multimission exploité par National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, une filiale à 100 % de Honeywell International Inc. pour le compte de la National Nuclear Security Administration du ministère américain de l’Énergie. Sandia Labs a des responsabilités majeures en matière de recherche et de développement dans les domaines de la dissuasion nucléaire, de la sécurité mondiale, de la défense, des technologies énergétiques et de la compétitivité économique. Ses principales installations se trouvent à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, et à Livermore, en Californie.