Ce nouveau matériau carboné pourrait rendre le captage du carbone beaucoup plus abordable
Arrêter le dioxyde de carbone (CO2) avant qu’il ne pénètre dans l’atmosphère est un moyen essentiel de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Même si le captage du carbone existe depuis de nombreuses années, il n’a pas été largement adopté car la plupart des systèmes sont coûteux et inefficaces. Une approche industrielle courante, le lavage aux amines aqueuses, nécessite de chauffer de grandes quantités de liquide à des températures supérieures à 100 °C pour libérer le CO capturé.2 et réutilisez la solution. Cette forte demande énergétique augmente les coûts d’exploitation et rend difficile une utilisation à grande échelle.
Les matériaux en carbone solide ont retenu l’attention en tant qu’option plus pratique. Ces matériaux sont relativement peu coûteux et ont une grande surface qui leur permet de piéger le CO2. Ils peuvent également libérer le gaz en utilisant moins de chaleur, surtout lorsqu’ils contiennent des groupes fonctionnels à base d’azote. Cependant, il existe une limitation majeure. Les méthodes de fabrication traditionnelles placent ces groupes d’azote de manière aléatoire dans le matériau, ce qui rend difficile l’identification des dispositions spécifiques conduisant à de meilleures performances.
Pour relever ce défi, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Yasuhiro Yamada de la Graduate School of Engineering et le professeur agrégé Tomonori Ohba de la Graduate School of Science de l’Université de Chiba, au Japon, a développé un nouveau type de matériau carboné appelé « viciazites ». Ces matériaux sont conçus avec des groupes azotés positionnés les uns à côté des autres de manière contrôlée. L’étude, publiée dans la revue Carbonea été co-écrit par M. Kota Kondo, également de l’Université de Chiba.
Construire des Viciazites avec un appariement contrôlé de l’azote
Les chercheurs ont créé trois versions différentes de viciazites, chacune avec un type unique de configuration azotée voisine. Pour produire des groupes amine primaire adjacents (-NH2 groupes), ils ont d’abord chauffé un composé appelé coronène, puis l’ont traité avec du brome, puis du gaz ammoniac. Cette méthode en trois étapes a atteint une sélectivité de 76 %, ce qui signifie que la plupart des atomes d’azote ont été placés dans les positions prévues.
Deux matériaux supplémentaires ont été produits en utilisant des composés de départ différents. L’un contenait de l’azote pyrrolique adjacent avec une sélectivité de 82 %, tandis que l’autre contenait de l’azote pyridinique adjacent avec une sélectivité de 60 %.
Vérification de la structure et des performances des tests
Chaque matériau a été appliqué sur des fibres de charbon actif pour créer des échantillons utilisables. L’équipe a confirmé le placement précis des groupes d’azote à l’aide de techniques telles que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la modélisation informatique. Ces méthodes ont vérifié que les atomes d’azote étaient positionnés côte à côte plutôt que répartis de manière aléatoire.
Lors des tests, les matériaux ont montré de nettes différences de performances. Les échantillons contenant des groupes -NH2 adjacents et de l’azote pyrrolique ont capturé plus de CO2 que les fibres de carbone non traitées. En revanche, la configuration de l’azote pyridinique n’a offert que peu d’amélioration.
CO à basse température2 La libération pourrait réduire la consommation d’énergie
La découverte la plus notable concerne la facilité avec laquelle les matériaux libèrent du CO2. “L’évaluation des performances a révélé que dans les matériaux carbonés où les groupes NH2 sont introduits de manière adjacente, la plupart du CO adsorbé2 se désorbe à des températures inférieures à 60 °C. En combinant cette propriété avec la chaleur résiduelle industrielle, il pourrait être possible de réaliser des processus efficaces de captage du CO2 avec des coûts d’exploitation considérablement réduits », souligne le Dr Yamada.
Le matériau contenant de l’azote pyrrolique nécessitait des températures plus élevées pour libérer du CO2mais il peut offrir une meilleure stabilité à long terme en raison de sa structure chimique plus forte.
Une nouvelle voie vers une capture rentable du carbone
Ce travail montre que l’organisation des groupes d’azote selon des motifs adjacents spécifiques peut être effectuée de manière fiable, fournissant ainsi une stratégie claire pour la conception de matériaux améliorés de captage du carbone. “Notre motivation est de contribuer à la société future et d’utiliser nos matériaux carbonés récemment développés avec des structures contrôlées. Ce travail fournit des voies validées pour synthétiser des matériaux carbonés dopés à l’azote, offrant le contrôle au niveau moléculaire essentiel au développement de CO de nouvelle génération, rentable et avancé.2 technologies de capture”, conclut le Dr Yamada.
Au-delà du captage du CO2ces matériaux viciazites pourraient également être utilisés pour d’autres applications, notamment pour éliminer des ions métalliques ou servir de catalyseurs, grâce à leurs propriétés de surface personnalisables.
Financement et soutien
Ce travail a été soutenu par la Mukai Science and Technology Foundation, la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251) et « l’Infrastructure de recherche avancée sur les matériaux et la nanotechnologie au Japon (ARIM) » du ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT) sous le numéro de subvention JPMXP1225JI0008.
