Des ingénieurs chimistes de l’EPFL ont conçu un matériau capable de capter le dioxyde de carbone de gaz de combustion humides de manière plus efficace que les matériaux commerciaux actuels. Leur travail a été publié dans la revue Nature.
De manière générale, on entend par «gaz de combustion» tout gaz résultant d’une combustion dans un foyer, un fourneau, une chaudière ou un générateur de vapeur et sortant d’un conduit, d’un échappement, d’une cheminée, etc. Toutefois, ce terme est plus communément utilisé pour désigner les vapeurs rejetées par les conduits d’usines et de centrales électriques. Ces panaches de fumée sont certes indissociables des bâtiments industriels, mais ils contiennent d’importantes quantités de dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre qui contribue considérablement au réchauffement climatique.
Un moyen d’améliorer l’impact polluant des gaz de combustion consiste à en extraire le CO2 et à le stocker dans des formations géologiques ou à le recycler. Les recherches qui tentent de trouver de nouveaux matériaux capables de capter le CO2 de ces gaz de fumée sont légion.
Une « éponge » qui n’est pas affectée par l’eau
Les réseaux organométalliques (MOF) font partie des solutions les plus prometteuses, mais la majorité de ces matériaux nécessitent d’abord que les gaz de combustion «humides» soient séchés. Cela est faisable techniquement, mais très cher, ce qui rend la commercialisation moins probable.
Par un curieux caprice de la nature (ou de la chimie), les matériaux efficaces pour capter le CO2 se révèlent encore meilleurs pour capter l’eau, et donc peu utiles pour traiter des gaz de combustion humides. Pour la plupart de ces matériaux, le dioxyde de carbone et l’eau semblent être en compétition pour les mêmes sites d’adsorption, c’est-à-dire les zones de la structure du matériau qui captent la molécule cible.
Une équipe de scientifiques dirigée par Berend Smit à l’EPFL Valais Wallis a conçu un nouveau matériau qui empêche cette compétition, n’est pas affecté par l’eau et peut capter le CO2 dans des gaz de combustion humides avec plus d’efficacité que les matériaux commerciaux.
Méthode reprise à la recherche pharmaceutique
Au cours de cette recherche que le professeur Smit qualifie de «percée pour la conception de matériaux par simulation», les scientifiques ont utilisé une approche novatrice pour surmonter les difficultés qui se présentent lors de la conception de matériaux: ils ont suivi les méthodes utilisées pour découvrir des médicaments.
Lorsque des entreprises pharmaceutiques recherchent un nouveau médicament potentiel, elles testent d’abord des millions de molécules pour identifier celles qui se lient à une protéine cible associée à la maladie en question. Ensuite, on compare ces différentes molécules pour déterminer les propriétés structurelles qu’elles partagent. On établit alors un motif commun qui sert de base pour concevoir et synthétiser les molécules médicamenteuses.
Dans l’optique d’appliquer cette méthode, les scientifiques de l’EPFL ont généré par ordinateur 325 000 matériaux qui ont en commun la capacité de capter le CO2. Tous ces matériaux font partie de la famille des MOF, des matériaux populaires et versatiles que Berend Smit étudie depuis des années.
Afin de réduire la sélection, les scientifiques ont ensuite cherché des motifs structurels communs aux MOF qui pouvaient capter efficacement le CO2, mais pas l’eau. Cette sous-catégorie a ensuite été encore restreinte en ajoutant des paramètres de sélectivité et d’efficacité, jusqu’à ce que l’algorithme de génération de MOF des chercheurs sélectionne 35 matériaux présentant de meilleures capacités de captage du CO2 de gaz de combustion humides que les matériaux actuellement disponibles dans le commerce.
De l’ordinateur au matériel réel
«Ce qui distingue ce travail, c’est que nous avons aussi pu synthétiser ces matériaux, explique Berend Smit. Cela nous a permis de collaborer avec nos collègues pour démontrer que les MOF absorbent effectivement le CO2 et pas l’eau, pour tester leurs capacités de captage du carbone et pour les comparer avec les matériaux existants.» Cette partie de l’étude a été menée en collaboration avec l’Université de Californie à Berkeley, l’Université d’Ottawa, l’Université Heriot-Watt et l’Université de Grenade.
«Les expériences menées à Berkeley ont prouvé que toutes nos prédictions étaient correctes, souligne Berend Smit. Le groupe d’Heriot-Watt a montré que les matériaux que nous avions conçus pouvaient capter le dioxyde de carbone de gaz de combustion humides mieux que les matériaux commerciaux.»
Auteur: Nik Papageorgiou
Tous les matériaux sont disponibles sur la plateforme Materials Cloud de MARVEL DOI: 10.24435/materialscloud:2018.0016/v2
Références Peter G. Boyd, Arunraj Chidambaram, Enrique García-Díez, Christopher P. Ireland, Thomas D. Daff, Richard Bounds, Andrzej Gładysiak, Pascal Schouwink, Seyed Mohamad Moosavi, M. Mercedes Maroto-Valer, Jeffrey A. Reimer, Jorge A. R. Navarro, Tom K. Woo, Susana Garcia, Kyriakos C. Stylianou, Berend Smit. Data-driven design of metal-organic frameworks for wet flue gas CO2 capture. Nature, 11 décembre 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1798-7
