Les chercheurs ont découvert comment le dioxyde de carbone peut être à la fois capturé et converti grâce à un seul processus électrochimique dans lequel une électrode, comme celle illustrée recouverte de bulles, est utilisée pour attirer le dioxyde de carbone libéré par un sorbant et le convertir en produits neutres en carbone. Crédit : John Freidah/MIT MechE
Les résultats, basés sur un seul processus électrochimique, pourraient contribuer à réduire les émissions des industries les plus difficiles à décarboner, comme l’acier et le ciment.
Dans le cadre des efforts visant à réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre dans le monde, les scientifiques de MIT se concentrent sur les technologies de captage du carbone pour décarboner les émetteurs industriels les plus exigeants.
Des industries telles que l’acier, le ciment et la fabrication de produits chimiques sont particulièrement difficiles à décarboner en raison de l’utilisation inhérente de carbone et de combustibles fossiles dans leurs processus. Si des technologies peuvent être développées pour capturer les émissions de carbone et les réutiliser dans le processus de production, cela pourrait conduire à une réduction significative des émissions de ces secteurs « difficiles à réduire ».
Cependant, les technologies expérimentales actuelles qui captent et convertissent le dioxyde de carbone le font selon deux processus distincts, qui nécessitent eux-mêmes une énorme quantité d’énergie pour fonctionner. L’équipe du MIT cherche à combiner les deux processus en un système intégré et beaucoup plus économe en énergie, qui pourrait potentiellement fonctionner avec des énergies renouvelables pour capturer et convertir le dioxyde de carbone provenant de sources industrielles concentrées.
Découvertes récentes sur le captage et la conversion du carbone
Dans une étude publiée le 5 septembre dans la revue Catalyse ACS, les chercheurs révèlent le fonctionnement caché de la manière dont le dioxyde de carbone peut être à la fois capturé et converti par un seul processus électrochimique. Le processus consiste à utiliser une électrode pour attirer le dioxyde de carbone libéré par un sorbant et le convertir en une forme réduite et réutilisable.
D’autres ont rapporté des démonstrations similaires, mais les mécanismes à l’origine de la réaction électrochimique restent flous. L’équipe du MIT a mené des expériences approfondies pour déterminer ce facteur et a découvert qu’en fin de compte, cela se résumait à la pression partielle du dioxyde de carbone. En d’autres termes, plus le dioxyde de carbone qui entre en contact avec l’électrode est pur, plus l’électrode peut capturer et convertir la molécule efficacement.
La connaissance de ce moteur principal, ou « actif espèces« , peut aider les scientifiques à régler et à optimiser des systèmes électrochimiques similaires pour capturer et convertir efficacement le dioxyde de carbone dans un processus intégré.
Les résultats de l’étude impliquent que, même si ces systèmes électrochimiques ne fonctionneraient probablement pas dans des environnements très dilués (par exemple, pour capter et convertir les émissions de carbone directement de l’air), ils seraient bien adaptés aux émissions hautement concentrées générées par les processus industriels. en particulier ceux qui n’ont pas d’alternative renouvelable évidente.
« Nous pouvons et devons passer aux énergies renouvelables pour la production d’électricité. Mais décarboner profondément des industries comme la production de ciment ou d’acier est un défi et prendra plus de temps », déclare l’auteur de l’étude Betar Gallant, professeur agrégé de développement de carrière de la promotion 1922 au MIT. « Même si nous supprimons toutes nos centrales électriques, nous avons besoin de solutions pour gérer les émissions des autres industries à court terme, avant de pouvoir les décarboner complètement. C’est là que nous voyons un point idéal, où quelque chose comme ce système pourrait s’adapter.
Les co-auteurs de l’étude au MIT sont l’auteur principal et postdoctorant Graham Leverick et l’étudiante diplômée Elizabeth Bernhardt, ainsi qu’Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman et Mohamed Kheireddine Aroua de l’Université Sunway en Malaisie.
Comprendre le processus de capture du carbone
Les technologies de captage du carbone sont conçues pour capter les émissions, ou « gaz de combustion », provenant des cheminées des centrales électriques et des installations de fabrication. Cela se fait principalement en utilisant de grandes rénovations pour canaliser les émissions dans des chambres remplies d’une solution de « capture » – un mélange d’amines, ou de composés à base d’ammoniac, qui se lient chimiquement au dioxyde de carbone, produisant une forme stable qui peut être séparée du reste. des gaz de combustion.
Des températures élevées sont ensuite appliquées, généralement sous la forme de vapeur générée par des combustibles fossiles, pour libérer le dioxyde de carbone capturé de sa liaison amine. Sous sa forme pure, le gaz peut ensuite être pompé dans des réservoirs de stockage ou souterrains, minéralisé ou encore transformé en produits chimiques ou en carburants.
« Le captage du carbone est une technologie mature, dans la mesure où la chimie est connue depuis environ 100 ans, mais elle nécessite de très grandes installations et son fonctionnement est assez coûteux et énergivore », note Gallant. « Ce que nous voulons, ce sont des technologies plus modulaires et plus flexibles, qui peuvent être adaptées à des sources de dioxyde de carbone plus diverses. Les systèmes électrochimiques peuvent aider à résoudre ce problème.
Son groupe au MIT développe un système électrochimique qui récupère le dioxyde de carbone capturé et le convertit en un produit réduit et utilisable. Un tel système intégré, plutôt qu’un système découplé, dit-elle, pourrait être entièrement alimenté par de l’électricité renouvelable plutôt que par de la vapeur dérivée de combustibles fossiles.
Leur concept est centré sur une électrode qui s’insérerait dans les chambres existantes de solutions de capture du carbone. Lorsqu’une tension est appliquée à l’électrode, les électrons circulent sur la forme réactive du dioxyde de carbone et le convertissent en un produit utilisant des protons fournis par l’eau. Cela rend le sorbant disponible pour lier davantage de dioxyde de carbone, plutôt que d’utiliser de la vapeur pour faire de même.
Gallant a déjà démontré que ce processus électrochimique pouvait capturer et convertir le dioxyde de carbone en une forme de carbonate solide.
«Nous avons montré que ce processus électrochimique était réalisable dès les premiers concepts», dit-elle. « Depuis lors, d’autres études ont été menées sur l’utilisation de ce processus pour tenter de produire des produits chimiques et des carburants utiles. Mais il y a eu des explications incohérentes sur la façon dont ces réactions fonctionnent, sous le capot.
Le rôle du « Solo CO2 »
Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a pris une loupe sous le capot pour découvrir les réactions spécifiques à l’origine du processus électrochimique. En laboratoire, ils ont généré des solutions d’amines qui ressemblent aux solutions de capture industrielles utilisées pour extraire le dioxyde de carbone des gaz de combustion. Ils ont méthodiquement modifié diverses propriétés de chaque solution, telles que le pH, la concentration et le type d’amine, puis ont fait passer chaque solution devant une électrode en argent – un métal largement utilisé dans les études d’électrolyse et connu pour convertir efficacement le dioxyde de carbone en carbone. monoxyde. Ils ont ensuite mesuré la concentration de monoxyde de carbone converti à la fin de la réaction et comparé ce chiffre à celui de toutes les autres solutions testées, pour voir quel paramètre avait le plus d’influence sur la quantité de monoxyde de carbone produite.
En fin de compte, ils ont découvert que ce qui comptait le plus n’était pas le type d’amine utilisé initialement pour capturer le dioxyde de carbone, comme beaucoup le soupçonnaient. Au lieu de cela, c’était la concentration de molécules de dioxyde de carbone flottantes et flottantes, qui évitaient de se lier aux amines mais étaient néanmoins présentes dans la solution. Ce « solo-CO2 » déterminait la concentration de monoxyde de carbone qui était finalement produite.
« Nous avons constaté qu’il est plus facile de réagir avec ce CO2 ‘solo’ que le CO2 capturé par l’amine », propose Leverick. « Cela indique aux futurs chercheurs que ce processus pourrait être réalisable pour les flux industriels, où de fortes concentrations de dioxyde de carbone pourraient être efficacement capturées et converties en produits chimiques et carburants utiles. »
« Il ne s’agit pas d’une technologie de suppression, et il est important de le préciser », souligne Gallant. « La valeur que cela apporte est qu’il nous permet de recycler le dioxyde de carbone un certain nombre de fois tout en maintenant les processus industriels existants, pour moins d’émissions associées. En fin de compte, mon rêve est que les systèmes électrochimiques puissent être utilisés pour faciliter la minéralisation et le stockage permanent du CO2 – une véritable technologie d’élimination. C’est une vision à plus long terme. Et une grande partie des connaissances scientifiques que nous commençons à comprendre constituent une première étape vers la conception de ces processus.
Cette recherche est soutenue par l’Université Sunway en Malaisie.
