Dans une méthode proposée de capture du carbone, les cristaux d’oxyde de magnésium présents au sol se lient aux molécules de dioxyde de carbone de l’air ambiant, déclenchant ainsi la formation de carbonate de magnésium. Le carbonate de magnésium est ensuite chauffé pour le reconvertir en oxyde de magnésium et libérer le dioxyde de carbone pour le placement sous terre ou la séquestration. Crédit : Adam Malin/ORNL, Département américain de l’énergie
Les recherches du laboratoire national d’Oak Ridge sur l’oxyde de magnésium pour le captage du carbone révèlent un ralentissement du taux d’absorption au fil du temps en raison de la formation d’une couche superficielle, ce qui pose des défis en matière de viabilité économique et oriente les futures études axées sur les solutions.
L’oxyde de magnésium est un matériau prometteur pour capter le dioxyde de carbone directement de l’atmosphère et l’injecter en profondeur pour limiter les effets du changement climatique. Cependant, pour rendre la méthode économique, il faudra découvrir la vitesse à laquelle le dioxyde de carbone est absorbé et comment les conditions environnementales affectent les réactions chimiques impliquées.
Des scientifiques du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du ministère de l’Énergie ont analysé un ensemble d’échantillons de cristaux d’oxyde de magnésium exposés à l’atmosphère pendant des décennies, et un autre pendant des jours, voire des mois, pour évaluer les taux de réaction. Ils ont découvert que le dioxyde de carbone est absorbé plus lentement sur des périodes plus longues en raison d’une couche de réaction qui se forme à la surface des cristaux d’oxyde de magnésium.
« Cette couche ayant réagi est un mélange complexe de différents solides, ce qui limite la capacité des molécules de dioxyde de carbone à trouver de l’oxyde de magnésium frais avec lequel réagir. Pour rendre cette technologie économique, nous étudions actuellement les moyens de surmonter cet effet de blindage », a déclaré Juliane Weber de l’ORNL, chercheuse principale du projet. Andrew Stack, scientifique à l’ORNL et membre de l’équipe du projet, a suivi : « Si nous pouvons le faire, ce processus pourrait être en mesure d’atteindre l’objectif de Carbon Negative Energy Earthshot consistant à capturer des niveaux de plusieurs gigatonnes de dioxyde de carbone dans l’air pour moins de 100 dollars par an. tonne métrique de dioxyde de carbone.
La plupart des recherches précédentes, visant à comprendre la vitesse à laquelle se produisent les réactions chimiques de l’oxyde de magnésium et du dioxyde de carbone, reposaient sur des calculs approximatifs plutôt que sur des tests de matériaux. L’étude ORNL marque la première fois qu’un test sur plusieurs décennies est effectué pour déterminer la vitesse de réaction sur de longues échelles de temps. En utilisant la microscopie électronique à transmission au Centre pour la science des matériaux nanophases, ou CNMS, de l’ORNL, les chercheurs ont découvert qu’une couche ayant réagi se formait. Cette couche est constituée d’une variété de phases complexes cristallines et amorphes hydratées et carbonatées.
« De plus, en effectuant des simulations informatiques de modélisation du transport réactif, nous avons déterminé qu’à mesure que la couche ayant réagi s’accumule, elle empêche de mieux en mieux le dioxyde de carbone de trouver de l’oxyde de magnésium frais avec lequel réagir », a déclaré Vitaliy Starchenko, chercheur à l’ORNL. « Ainsi, à l’avenir, nous étudions des moyens de contourner ce processus pour permettre au dioxyde de carbone de trouver une nouvelle surface avec laquelle réagir. »
Les simulations informatiques aident les scientifiques et les ingénieurs à comprendre comment la couche ayant réagi évolue et modifie la manière dont les substances la traversent au fil du temps. Les modèles informatiques permettent de prédire les réactions et le mouvement des matériaux dans les systèmes naturels et artificiels, tels que les sciences des matériaux et la géochimie.
Le Bureau scientifique du DOE a principalement soutenu le travail. Le programme de recherche et développement dirigé par les laboratoires de l’ORNL a pris en charge le temps de vol, ou TOF, la spectrométrie de masse des ions secondaires, ou SIMS, et la microscopie électronique à transmission préliminaire, ou TEM. Les caractérisations par microscopie à force atomique-TOF-SIMS et TEM ont été réalisées dans le cadre d’un projet utilisateur au CNMS, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL.
