Une équipe de l'Université de Cambridge a innové une méthode de capture du carbone utilisant du charbon actif chargé comme une batterie, permettant une absorption efficace et économe en énergie du CO2 de l'air. Cette nouvelle approche, nécessitant des températures de régénération plus basses, promet de rendre le captage du carbone plus durable et plus rentable. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de Cambridge ont développé une technologie de capture du carbone à faible consommation d'énergie utilisant du charbon actif chargé, capable d'absorber le CO2 directement de l'air plus efficacement que les méthodes conventionnelles.
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont adapté une technique de chargement de batterie pour dynamiser le charbon actif, couramment utilisé dans les filtres à eau domestiques.
« La première et la plus urgente chose que nous devons faire est de réduire les émissions de carbone à l'échelle mondiale, mais l'élimination des gaz à effet de serre est également considérée comme nécessaire pour atteindre zéro émission nette et limiter les pires effets du changement climatique. En réalité, nous devons faire tout ce que nous pouvons. — Alex Forsé
Les chercheurs ont découvert qu'en chargeant « l'éponge » de charbon de bois avec des ions qui forment des liaisons réversibles avec le CO2, le matériau chargé pouvait capturer avec succès le CO2 directement de l'air.
Comparaison des techniques de capture du CO2
L’éponge de charbon chargée est également potentiellement plus économe en énergie que les approches actuelles de capture du carbone, car elle nécessite des températures beaucoup plus basses pour éliminer le CO2 capturé afin de pouvoir le stocker. Les résultats sont rapportés dans la revue Nature.
« Capter les émissions de carbone de l'atmosphère est un dernier recours, mais étant donné l'ampleur de l'urgence climatique, c'est quelque chose sur lequel nous devons enquêter », a déclaré le Dr Alexander Forse du département de chimie Yusuf Hamied, qui a dirigé la recherche. « La première et la plus urgente chose que nous devons faire est de réduire les émissions de carbone à l'échelle mondiale, mais l'élimination des gaz à effet de serre est également considérée comme nécessaire pour atteindre zéro émission nette et limiter les pires effets du changement climatique. En réalité, nous devons faire tout ce que nous pouvons.
La capture directe de l'air, qui utilise des matériaux semblables à des éponges pour éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, est une approche potentielle pour la capture du carbone, mais les approches actuelles sont coûteuses, nécessitent des températures élevées et l'utilisation de gaz naturel, et manquent de stabilité.
« Des travaux prometteurs ont été réalisés sur l'utilisation de matériaux poreux pour capturer le carbone de l'atmosphère », a déclaré Forse. « Nous voulions voir si le charbon actif pouvait être une option, car il est bon marché, stable et fabriqué à grande échelle. »
Le rôle du charbon actif
Le charbon actif est utilisé dans de nombreuses applications de purification, telles que les filtres à eau, mais il ne peut normalement pas capturer et retenir le CO2 de l'air. Forse et ses collègues ont proposé que si le charbon actif pouvait être chargé, comme une batterie, il pourrait constituer un matériau approprié pour le captage du carbone.
Lors du chargement d'une batterie, des ions chargés sont insérés dans l'une des électrodes de la batterie. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que charger le charbon actif avec des composés chimiques appelés hydroxydes le rendrait adapté au captage du carbone, puisque les hydroxydes forment des liaisons réversibles avec le CO2.
L’équipe a utilisé un processus de charge semblable à celui d’une batterie pour charger un chiffon de charbon actif peu coûteux avec des ions hydroxyde. Dans ce processus, le tissu agit essentiellement comme une électrode dans une batterie et les ions hydroxyde s’accumulent dans les minuscules pores du charbon de bois. À la fin du processus de chargement, le charbon de bois est retiré de la « batterie », lavé et séché.
Résultats prometteurs et orientations futures
Les tests de l'éponge de charbon chargée ont montré qu'elle pouvait capturer avec succès le CO2 directement de l'air, grâce au mécanisme de liaison des hydroxydes.
« C'est une nouvelle façon de fabriquer des matériaux, en utilisant un processus semblable à celui d'une batterie », a déclaré Forse. « Et les taux de captage du CO2 sont déjà comparables à ceux des matériaux existants. Mais ce qui est encore plus prometteur, c'est que cette méthode pourrait être beaucoup moins gourmande en énergie, puisque nous n'avons pas besoin de températures élevées pour collecter le CO2 et régénérer l'éponge de charbon de bois.
Besoins énergétiques réduits pour la régénération des matériaux
Pour collecter le CO2 du charbon de bois afin qu'il puisse être purifié et stocké, le matériau est chauffé pour inverser les liaisons hydroxyde-CO2. Dans la plupart des matériaux actuellement utilisés pour capter le CO2 de l'air, les matériaux doivent être chauffés à des températures pouvant atteindre 900 °C, souvent à l'aide de gaz naturel. Cependant, les éponges au charbon chargé développées par l’équipe de Cambridge ne nécessitent qu’un chauffage à 90-100°C, températures qui peuvent être atteintes grâce à l’électricité renouvelable. Les matériaux sont chauffés grâce à un chauffage résistif, qui les chauffe essentiellement de l’intérieur vers l’extérieur, ce qui rend le processus plus rapide et moins gourmand en énergie.
Ces matériaux présentent cependant des limites sur lesquelles les chercheurs travaillent actuellement. « Nous travaillons désormais à augmenter la quantité de dioxyde de carbone pouvant être captée, et en particulier dans des conditions humides où nos performances diminuent », a déclaré Forse.
Innovations et applications futures
Les chercheurs affirment que leur approche pourrait être utile dans des domaines allant au-delà de la capture du carbone, puisque les pores du charbon de bois et les ions qui y sont insérés peuvent être ajustés pour capturer une gamme de molécules.
« Cette approche est une sorte d'idée folle que nous avons eue pendant les confinements liés au Covid-19, donc c'est toujours excitant de voir ces idées fonctionner réellement », a déclaré Forse. « Cette approche ouvre la porte à la fabrication de toutes sortes de matériaux pour différentes applications, d'une manière simple et économe en énergie. »
Un brevet a été déposé et la recherche est commercialisée avec le soutien de Cambridge Enterprise, la branche de commercialisation de l'Université.
La recherche a été financée en partie par le Leverhulme Trust, la Royal Society, le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), une partie du UK Research and Innovation (UKRI) et le Centre for Climate Repair de Cambridge.
