De nouvelles recherches identifient le vanadium comme un élément prometteur pour le captage du carbone, grâce à sa réactivité équilibrée et à la capacité des molécules de peroxyde de vanadium à lier efficacement le dioxyde de carbone. Ce travail contribue à l’effort mondial visant à développer des technologies de captage direct de l’air, offrant une nouvelle voie pour réduire le dioxyde de carbone atmosphérique et atténuer le changement climatique.
Un élément chimique si frappant visuellement qu’il porte le nom d’une déesse présente un niveau de réactivité « Boucle d’or » – ni trop ni pas assez – qui en fait un candidat sérieux comme outil d’épuration du carbone.
L’élément est le vanadium, et les recherches menées par les scientifiques de l’Oregon State University ont démontré la capacité des molécules de peroxyde de vanadium à réagir avec le dioxyde de carbone et à le lier – une étape importante vers des technologies améliorées pour éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère.
Efforts fédéraux et développements de la capture directe de l’air
L’étude fait partie d’un effort fédéral de 24 millions de dollars visant à développer de nouvelles méthodes de capture directe dans l’air, ou DAC, du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre produit par la combustion de combustibles fossiles et associé au changement climatique.
Les installations qui filtrent le carbone de l’air ont commencé à apparaître partout dans le monde, mais elles en sont encore à leurs balbutiements. Les technologies permettant d’atténuer le dioxyde de carbone au point d’entrée dans l’atmosphère, comme dans les centrales électriques, sont plus développées. Les deux types de captage du carbone seront probablement nécessaires si la Terre veut éviter les pires conséquences du changement climatique, affirment les scientifiques.
Le rôle de l’État de l’Oregon et l’importance des métaux de transition
En 2021, May Nyman de l’État de l’Oregon, professeur de chimie Terence Bradshaw au College of Science, a été choisie comme chef de file de l’un des neuf projets de captage direct de l’air financés par le ministère de l’Énergie. Son équipe étudie comment certains complexes de métaux de transition peuvent réagir avec l’air pour éliminer le dioxyde de carbone et le convertir en carbonate métallique, semblable à ce que l’on trouve dans de nombreux minéraux naturels.
Les métaux de transition sont situés près du centre du tableau périodique et leur nom provient de la transition des électrons d’états de basse énergie à des états de haute énergie et vice-versa, donnant naissance à des couleurs distinctives. Pour cette étude, les scientifiques ont atterri sur le vanadium, du nom de Vanadis, l’ancien nom nordique de la déesse scandinave de l’amour, considérée comme si belle que ses larmes se sont transformées en or.
Le processus chimique et les défis de la capture directe de l’air
Nyman explique que le dioxyde de carbone existe dans l’atmosphère à une densité de 400 parties par million. Cela signifie que pour 1 million de molécules d’air, 400 d’entre elles sont du dioxyde de carbone, soit 0,04 %.
« Un défi avec la capture directe de l’air est de trouver des molécules ou des matériaux suffisamment sélectifs, sinon d’autres réactions avec des molécules d’air plus abondantes, telles que les réactions avec l’eau, supplanteront la réaction avec le CO.2« , a déclaré Nyman. « Notre équipe a synthétisé une série de molécules contenant trois parties importantes pour éliminer le dioxyde de carbone de l’atmosphère, et elles travaillent ensemble. »
Une partie était du vanadium, ainsi nommé en raison de la gamme de belles couleurs qu’il peut présenter, et une autre partie était du peroxyde, qui se liait au vanadium. Parce qu’une molécule de peroxyde de vanadium est chargée négativement, elle avait besoin de cations alcalins pour équilibrer les charges, a déclaré Nyman, et les chercheurs ont utilisé des cations alcalins de potassium, de rubidium et de césium pour cette étude.
Elle a ajouté que les collaborateurs ont également essayé de remplacer le vanadium par d’autres métaux du même voisinage dans le tableau périodique.
« Le tungstène, le niobium et le tantale n’étaient pas aussi efficaces sous cette forme chimique », a déclaré Nyman. « D’un autre côté, le molybdène était si réactif qu’il explosait parfois. »
De plus, les scientifiques ont remplacé les alcalis par de l’ammonium et du tétraméthylammonium, le premier étant légèrement acide. Ces composés n’ont pas réagi du tout, une énigme que les chercheurs tentent encore de comprendre.
Propriétés uniques du peroxyde de vanadium et contributions à la recherche
« Et lorsque nous avons éliminé le peroxyde, encore une fois, il n’y avait pas beaucoup de réactivité », a déclaré Nyman. « En ce sens, le peroxyde de vanadium est une belle boucle d’or violette qui devient dorée lorsqu’elle est exposée à l’air et lie une molécule de dioxyde de carbone. »
Elle note qu’une autre caractéristique précieuse du vanadium est qu’il permet une température de libération relativement basse d’environ 200 degrés. Celsius pour le dioxyde de carbone capturé.
« Cela se compare à près de 700 degrés Celsius lorsqu’il est lié au potassium, au lithium ou au sodium, d’autres métaux utilisés pour le captage du carbone », a-t-elle déclaré. « Pouvoir relibérer le CO capturé2 permet la réutilisation des matériaux de captage du carbone, et plus la température requise pour cela est basse, moins il faut d’énergie et plus le coût est faible. Il existe déjà des idées très intelligentes concernant la réutilisation du carbone capturé – par exemple, canaliser le CO capturé2 dans une serre pour faire pousser des plantes.
Parmi les autres auteurs de l’État de l’Oregon figurant sur l’article figuraient Tim Zuehlsdorff, professeur adjoint de chimie théorique/physique, et le chercheur postdoctoral Eduard Garrido.
« Je suis également très fier du travail acharné des étudiants diplômés de mon laboratoire, Zhiwei Mao et Karlie Bach, ainsi que de Taylor Linsday, premier cycle », a déclaré Nyman. « Il s’agit d’un tout nouveau domaine pour mon laboratoire, ainsi que pour Tim Zuehlsdorff, qui a supervisé le doctorat. l’étudiant Jacob Hirschi sur les études informatiques pour expliquer les mécanismes de réaction. Démarrer un nouveau domaine d’étude implique de nombreuses inconnues.
L’étude a été financée par le ministère américain de l’Énergie.
