Les Pays-Bas ont cinq ans de retard sur leurs objectifs climatiques, et nous ne sommes certainement pas seuls dans ce cas. Les émissions de gaz à effet de serre doivent être réduites. Et pour cela, il est crucial de capter et de stocker le CO2 de l’air. Les décideurs politiques regardent également la science avec inquiétude. Elle a désormais développé un nouveau type de matériau qui rend le stockage du carbone beaucoup plus facile et plus efficace.
Les technologies actuelles de captage du carbone fonctionnent particulièrement bien avec les sources de carbone concentrées, telles que les émissions des centrales électriques. Ces méthodes sont moins efficaces pour capter le dioxyde de carbone de l’air, où les concentrations sont des centaines de fois inférieures. Pourtant, le captage direct de l’air, également connu sous le nom de DAC, est nécessaire pour réduire l’augmentation des niveaux de CO2. La quantité de dioxyde de carbone dans l’air continue d’augmenter et s’élève actuellement à 426 parties par million (ppm), soit une augmentation de 50 % par rapport aux niveaux préindustriels. Selon le GIEC, le groupe d’experts de l’ONU sur le climat, le recours au DAC est essentiel pour limiter le réchauffement climatique à un maximum de 1,5 degré.
Vers le zéro net
Un nouveau type de matériau absorbant, développé par des scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley, pourrait contribuer à atteindre des valeurs d’émission « nettes nulles », voire négatives. Ce matériau, appelé ‘cadre organique covalent‘ (COF), peut éliminer le CO2 de l’air ambiant sans être affecté par l’eau ou d’autres contaminants, écrivent les chercheurs dans Nature. Il s’agit d’une amélioration importante par rapport aux technologies DAC existantes, souvent sensibles à ce type de substances.
Omar Yaghi, professeur de chimie à l’UC Berkeley, parle avec enthousiasme des réalisations de sa nouvelle découverte. « Nous avons pris un peu de ce matériau, l’avons mis dans un tube et avons laissé l’air extérieur de Berkeley circuler à travers le matériau. Cela a complètement éliminé le CO2 de l’air, absolument tout », a-t-il déclaré. « Ce matériau représentera une avancée majeure dans la lutte contre le changement climatique. » Selon Yaghi, le nouveau matériau peut facilement être appliqué aux systèmes de capture du carbone existants, tels que les systèmes de filtrage pour capturer le CO2 provenant des émissions des raffineries ou pour capturer le CO2 atmosphérique pour le stockage souterrain.
La structure hexagonale du nouveau matériau. Photo : Chaoyang Zhao pour l’UC Berkeley
Jeu fort
Le chercheur principal Zihui Zhou explique que seulement 200 grammes de matériau sont capables d’absorber autant de CO2 qu’un arbre, ce qui équivaut à environ 20 kilos de CO2 par an. « Le captage des gaz d’alimentation peut ralentir le changement climatique car il empêche le CO2 de pénétrer dans l’air. La capture directe de l’air nous aide à revenir à la situation d’il y a 100 ans, lorsque les concentrations de CO2 étaient bien plus faibles », a déclaré le scientifique de Berkeley.
Yaghi est l’inventeur des COF et des MOF (metal-organic frameworks), deux structures cristallines rigides avec des pores internes. Ces pores offrent une grande surface d’adhésion aux gaz. Certains MOF développés par Yaghi peuvent absorber l’eau de l’air et la libérer lorsqu’elle est chauffée, même dans des conditions très sèches. Yaghi travaille sur les MOF pour le captage du carbone depuis les années 1990, alors que personne n’avait entendu parler des DAC.
Grand défi
“Éliminer le CO2 de l’air est très difficile”, explique Yaghi. « Il faut un matériau à haute capacité, auquel le CO2 se fixe et aucune autre substance, qui reste stable dans les environnements riches en eau et en oxygène et qui soit également facile à recycler. La fabrication du matériau doit également nécessiter peu d’énergie et être applicable à grande échelle. C’est un énorme défi.
L’équipe de Yaghi a passé les deux dernières décennies à développer des COF suffisamment solides pour résister aux contaminants tels que l’eau, les acides et les bases. En pratique, de nombreux autres matériaux poreux en sont gravement endommagés. Leur dernier COF-999 est construit à partir d’un squelette de polyoléfines – des polymères à base uniquement de carbone et d’hydrogène – auquel sont attachés des groupes amino. Cela garantit que chaque groupe amino est capable de contenir une molécule de CO2. Lorsque de l’air avec une concentration de CO2 de 400 ppm est pompé à travers le COF, le matériau est saturé en deux heures et peut retenir jusqu’à 2 millimoles de CO2 par gramme. Le CO2 est libéré en chauffant le matériau à seulement 60 degrés, après quoi il est prêt pour un nouveau cycle.
Particulièrement stable
Le matériau est particulièrement stable, tant chimiquement que thermiquement. Il peut facilement être réutilisé plus d’une centaine de fois sans perte de capacité. “Il s’agit du meilleur équipement disponible actuellement pour la capture directe de l’air”, déclare fièrement Yaghi. Il est convaincu que l’intelligence artificielle (IA) peut aider à développer des COF et MOF encore meilleurs pour le captage du carbone et d’autres applications. “Nous sommes très enthousiasmés par les possibilités qu’offre l’IA pour améliorer et accélérer nos inventions chimiques”, déclare le chercheur de Berkeley.
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