Les méthodes actuelles de capture et de libération du carbone sont coûteuses et tellement énergivores qu’elles nécessitent souvent, de manière contre-productive, l’utilisation de combustibles fossiles. En s’inspirant des plantes, les chercheurs de Cornell ont mis au point un procédé chimique qui permet de capturer le carbone à l’aide d’une source d’énergie abondante, propre et gratuite : la lumière du soleil.
Cette recherche pourrait améliorer considérablement les méthodes actuelles de capture du carbone – une stratégie essentielle dans la lutte contre le réchauffement climatique – en réduisant les coûts et les émissions nettes.
Dans cette étude, publiée le 9 mai dans la revue Chem, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient séparer le dioxyde de carbone des sources industrielles en imitant les mécanismes utilisés par les plantes pour stocker le carbone, en utilisant la lumière du soleil pour fabriquer une molécule d’énol stable suffisamment réactive pour « attraper » le carbone. Ils ont également utilisé la lumière du soleil pour entraîner une réaction supplémentaire qui peut ensuite libérer le dioxyde de carbone en vue de son stockage ou de sa réutilisation. Il s’agit du premier système de séparation alimenté par la lumière pour la capture et la libération du carbone. L’étudiant diplômé Bayu Ahmad, M.S. ’23, est le premier auteur.
« Du point de vue de la chimie, ce projet est totalement différent de ce que font les autres chercheurs dans le domaine de la capture du carbone », a indiqué l’auteur principal, Phillip Milner, professeur agrégé de chimie et de biologie chimique au College of Arts and Sciences. « L’ensemble du mécanisme est une idée de Bayu, et lorsqu’il me l’a présenté, j’ai pensé qu’il ne fonctionnerait jamais. Cela fonctionne parfaitement. »
Le dioxyde de carbone est difficile à capturer parce qu’il est inerte, a expliqué M. Milner, ce qui a conduit les chercheurs et l’industrie à se tourner vers les amines – des composés organiques dérivés de l’ammoniac qui contiennent de l’azote – qui réagissent sélectivement avec le dioxyde de carbone et peuvent l’extraire de mélanges de nombreux composés. Mais les amines ne sont pas stables en présence d’oxygène et ne durent pas, ce qui oblige à produire de plus en plus d’amines, ce qui consomme beaucoup d’énergie.
« Depuis le début, notre laboratoire a essayé de réfléchir à la manière dont nous pouvions utiliser notre intuition de chimistes pour trouver d’autres moyens de capturer le dioxyde de carbone », a ajouté M. Milner. Notre devise est « tout sauf les amines ».
La réaction de capture du carbone utilise le même mécanisme que l’enzyme RuBisCo, essentielle à la photosynthèse, pour fixer le carbone dans les plantes. Pour libérer le carbone, les chercheurs ont modifié le pH afin de permettre la décarboxylation, c’est-à-dire l’élimination d’un groupe carboxyle. Ils ont utilisé un sorbant peu coûteux, le 2-méthylbenzophénone, et ont constaté que le taux de capture du carbone dans le nouveau système était égal ou supérieur à celui d’autres technologies basées sur la lumière. Le système ne nécessite pas non plus de refroidissement supplémentaire entre les étapes de libération et de capture, ce qui constitue une limitation majeure des autres méthodes de capture et de libération du carbone.
Les chercheurs ont testé le système en utilisant des échantillons de fumées provenant du Bâtiment de production combinée de chaleur et d’électricité de Cornell, une centrale électrique sur le campus qui brûle du gaz naturel, et ont constaté qu’il permettait d’isoler le dioxyde de carbone. Selon M. Milner, cette étape est importante, car de nombreuses méthodes prometteuses de capture du carbone en laboratoire échouent lorsqu’elles sont confrontées à des échantillons du monde réel contenant des contaminants à l’état de traces.
M. Milner et son équipe envisagent de mettre en scène la réaction sur ce qui ressemble à un panneau solaire, mais qui capturerait le carbone au lieu de produire de l’électricité. En tant que première Bourse de durabilité de la famille Semlitz au Centre Atkinson pour le développement durable de Cornell, Ahmad travaille avec des partenaires du Cornell SC Johnson College of Business pour explorer la commercialisation.
« Nous aimerions vraiment arriver au point où nous pourrons éliminer le dioxyde de carbone de l’air, parce que je pense que c’est le plus pratique », a déclaré M. Milner. « Vous pouvez imaginer aller dans le désert, installer ces panneaux qui aspirent le dioxyde de carbone de l’air et le transforment en dioxyde de carbone pur à haute pression. Nous pourrions alors l’acheminer dans un pipeline ou le convertir en quelque chose sur place ».
Le laboratoire de M. Milner étudie également comment le système alimenté par la lumière pourrait être appliqué à d’autres gaz, car la séparation représente 15 % de la consommation mondiale d’énergie.
« Il existe de nombreuses possibilités de réduire la consommation d’énergie en utilisant la lumière au lieu de l’électricité pour effectuer ces séparations », a précisé M. Milner.
M. Milner participe à un effort, financé par Cornell Atkinson, visant à mettre des échantillons de gaz de combustion provenant du bâtiment de production combinée de chaleur et d’électricité de Cornell à la disposition des chercheurs et des entreprises en démarrage qui étudient la capture du carbone à Cornell et ailleurs.
« Il est très difficile d’obtenir des gaz de combustion réels de l’industrie, car les entreprises ne veulent pas que les gens sachent ce qui sort de leurs centrales électriques », explique M. Milner. « Mais Cornell n’est pas une entreprise – c’est donc quelque chose d’unique que nous pouvons offrir et qui, nous l’espérons, sera opérationnel l’année prochaine. »
Les coauteurs de l’étude sont Andrew J. Musser, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique (A&S), et l’étudiant diplômé Kiser Z. Colley, M.S. ’24.
