Des chercheurs ont créé un nouveau matériau hybride contenant du carbonate de sodium et du nanocarbone pour capturer le dioxyde de carbone des émissions industrielles. Ils ont découvert qu'il présente une capacité de capture du CO2 élevée qui dure 10 cycles de régénération à une basse température d'environ 80 °C. Crédit : thewritingzone
Des scientifiques ont développé un nanocomposite de carbone utilisant du carbonate de sodium qui améliore considérablement les émissions de dioxyde de carbone provenant des émissions industrielles.
Les émissions industrielles sont l’une des principales sources de dioxyde de carbone (CO2), le principal gaz à effet de serre responsable du changement climatique. Si l’adoption d’alternatives énergétiques renouvelables et propres est une option pour atténuer ces émissions de carbone, la technologie de capture du carbone est une autre solution pour contrôler les émissions de CO2.
Dans les grandes industries émettrices de CO2, telles que les cimenteries, les raffineries de pétrole et les centrales thermiques, la technologie de capture du carbone peut être facilement appliquée pour éliminer les émissions de CO2 directement à la source à un coût raisonnable et avec une faible consommation d'énergie. Différents matériaux ont été explorés pour la capture du CO2 dans les usines, notamment les zéolites, les structures organométalliques, les minéraux naturels, les alcalis et les sels de métaux alcalins. Parmi eux, les carbonates de métaux alcalins, tels que le carbonate de sodium (Na2CO3), sont considérés comme des matériaux efficaces et peu coûteux avec des propriétés stables et faciles à obtenir.
Amélioration du Na2CO3 avec des squelettes de carbone
Théoriquement, le Na2CO3 a une bonne capacité de capture du CO2 et peut être facilement régénéré pour des utilisations successives. Cependant, l'application directe de Na2CO3 pour capturer le CO2 provoque une agglomération des cristaux, ce qui entraîne une faible efficacité et une longévité plus courte. Ce problème peut être éliminé en utilisant un squelette de carbone pour le Na2CO3. Les matériaux en carbone poreux avec une bonne connectivité des pores offrent une faible densité, une stabilité structurelle, une hydrophobicité et une grande surface qui peut stabiliser le Na2CO3.
Des études antérieures indiquent que les nanocomposites Na2CO3−carbone ont une capacité de capture du CO2 de 5,2 mmol/g. Cependant, ces études n'examinent pas l'effet des températures de carbonisation sur les performances globales du matériau.
Optimisation de la capture du CO2 par carbonisation
Par conséquent, dans une nouvelle étude publiée dans Energie et carburants Le 12 juin 2024, le professeur Hirofumi Kanoh et Bo Zhang de la Graduate School of Science de l'université de Chiba ont synthétisé un matériau hybride de capture du CO2 composé de Na2CO3 enveloppé de nanocarbone poreux. Ils ont ensuite évalué son efficacité de capture et de régénération du CO2 à différentes températures de carbonisation. Les hybrides Na2CO3−carbone (NaCH) ont été dérivés de la carbonisation du téréphtalate disodique à des températures allant de 873 K à 973 K en présence d'azote comme gaz protecteur. « La réduction des émissions de CO2 est une question urgente, mais les recherches sur les méthodes et les systèmes de matériaux pour la capture du CO2 font encore défaut. Ce système hybride Na2CO3−carbone s'est avéré prometteur lors de nos premières recherches, ce qui nous a incités à l'explorer plus avant », déclare le professeur Kanoh.
Progrès dans les performances des hybrides NaCH
L'équipe a mesuré la capacité de capture du CO2 des matériaux hybrides dans des conditions humides pour imiter les conditions des gaz d'échappement des usines. Ils ont découvert que les hybrides NaCH préparés à des températures de carbonisation proches de 913-943 K présentaient des capacités de capture du CO2 plus élevées. Parmi eux, le NaCH-923 avait la capacité de capture du CO2 la plus élevée de 6,25 mmol/g et une teneur en carbone élevée de plus de 40 %, ce qui se traduisait par une plus grande surface, permettant une distribution plus uniforme du Na2CO3 sur la surface du nanocarbone. Cela réduisait le taux d'agglomération des cristaux de Na2CO3 et conduisait à des taux de réaction plus rapides.
Après que le NaCH-923 ait capturé efficacement le CO2, les scientifiques ont de nouveau chauffé le NaCH-923-CO2 résultant en présence d'azote pour tester ses performances de régénération. Ils ont découvert que le NaCH-923 pouvait être régénéré et utilisé pour la capture du CO2 pendant 10 cycles, tout en conservant plus de 95 % de sa capacité initiale de capture du CO2. Ces résultats indiquent que le NaCH-923 présente une bonne résistance structurelle, une bonne durabilité et une bonne régénération, ce qui en fait un excellent matériau pour la capture du CO2 dans des conditions humides.
Applications et implications du NaCH-923
D'autres expériences sur le NaCH-923-CO2 ont montré que l'échantillon subissait une forte variation de masse à 326-373 K (environ 80 °C en moyenne). Étant donné que la température des gaz d'échappement des centrales thermiques se situe également généralement dans cette plage, la chaleur résiduelle des usines et des centrales électriques peut facilement être utilisée comme source de chaleur pour régénérer le NaCH-923, réduisant ainsi efficacement la consommation d'énergie.
Ces résultats montrent que la température de carbonisation influence considérablement les performances de capture du CO2 et la teneur en carbone des hybrides NaCH, le NaCH-923 présentant les meilleures caractéristiques. Le NaCH-923, étant un adsorbant solide, peut capturer efficacement le CO2 à température et pression ambiantes avec une sélectivité élevée pour le CO2 et sans le problème de corrosion des équipements qui existe avec les adsorbants liquides actuellement utilisés dans les industries. De plus, ces caractéristiques permettent son application généralisée dans diverses configurations, environnements et environnements industriels divers.
Conclusion et perspectives d'avenir
« En transformant le Na2CO3, qui possède déjà une bonne capacité de capture du CO2, en un nanocomposite, il est devenu possible d’améliorer la vitesse de réaction et de réduire la température de décomposition et de régénération. Cela permet d’utiliser la chaleur résiduelle de l’usine pour la régénération à environ 80 °C, ce qui nous donne un système de capture du CO2 économe en énergie », conclut le professeur Kanoh.
Hirofumi Kanoh est professeur à l'École supérieure des sciences de l'Université de Chiba, au Japon. Il dirige le « Kanoh Lab » ou le laboratoire de chimie moléculaire du département de chimie. Sa principale spécialisation en recherche est la chimie physique, avec un accent particulier sur la création et la caractérisation de nouveaux solides nanoporeux. Ses recherches visent à développer une nouvelle science moléculaire qui peut aider à protéger l'environnement terrestre en utilisant le nanoespace dans les solides, et à créer une science fondamentale visant à comprendre et à appliquer de nouvelles fonctions du nanoespace et des matériaux nanostructurés. Il a plus de 300 publications et plus de 45 brevets dans le domaine de la nanochimie.
