L'Université Northwestern a développé une technologie de « variation d'humidité » pour la capture directe du carbone dans l'air (DAC) qui utilise une série d'ions pour capturer le dioxyde de carbone à faible humidité et le libérer à une humidité élevée. Cette recherche améliore la compréhension du DAC et propose une méthode de capture du carbone plus économe en énergie que les technologies traditionnelles.
À mesure que la société mondiale s’oriente vers la décarbonation de la production industrielle, il sera nécessaire non seulement d’empêcher la création de nouveau carbone dans l’atmosphère, mais également d’extraire le dioxyde de carbone déjà présent.
Alors que la capture traditionnelle du carbone se concentre sur la collecte du dioxyde de carbone à partir du point d'émission dans un processus à forte teneur en carbone, la « capture directe de l'air » (DAC) extrait le carbone dans des conditions atmosphériques normales. Cette approche devient de plus en plus importante dans la lutte contre le changement climatique, d’autant plus que notre dépendance aux combustibles fossiles diminue et que la nécessité de capter le carbone à la source diminue. Grâce à la technologie de l’humidité, les scientifiques ont découvert plusieurs nouveaux ions qui contribuent à la séquestration du carbone à faible énergie.
Une nouvelle recherche de l'Université Northwestern démontre une nouvelle façon de capter le carbone des conditions ambiantes, qui examine la relation entre l'eau et le dioxyde de carbone dans un système, éclairant ainsi la technologie de « balancement de l'humidité » qui capte le dioxyde de carbone lorsque l'humidité est faible et le libère lorsque l'humidité est élevée. Cette méthode combine des méthodes cinétiques innovantes avec une variété d’ions pour éliminer le carbone de presque n’importe où.
La recherche a été récemment publiée dans la revue Environmental Science and Technology.
Vinayak P. Dravid de l'Université Northwestern, l'auteur principal de l'étude, a déclaré : « Non seulement nous avons élargi et optimisé la sélection des ions de capture du carbone, mais nous avons également contribué à révéler les principes fondamentaux des interactions complexes fluide-surface. Ce travail fait progresser notre compréhension collective du DAC, et nos données et analyses fournissent une forte motivation aux théoriciens et expérimentateurs pour améliorer davantage la capture du carbone dans des conditions réelles.
Dravid est professeur Abraham-Harris au Département de science et d'ingénierie des matériaux de la McCormick School of Engineering de l'Université Northwestern et directeur des initiatives mondiales à l'Institut international de nanotechnologie. Les doctorants John Hegarty et Benjamin Shindel sont les co-premiers auteurs de l'article.
Schindel a déclaré que l'idée derrière le document venait du désir d'utiliser les conditions environnementales pour promouvoir des réponses. "Nous aimons la capture du carbone par pendule humide car elle n'a pas de coût énergétique explicite. Bien que l'humidification d'une certaine quantité d'air nécessite une certaine quantité d'énergie, idéalement, vous obtenez l'humidité "gratuitement" et vous comptez énergétiquement sur un réservoir naturel d'air humide et sec adjacent à l'environnement. "
L’équipe de recherche a également augmenté le nombre d’ions utilisés pour rendre la réaction possible.
"Non seulement nous avons doublé le nombre d'ions permettant d'obtenir une capture idéale du carbone dans l'humidité, mais nous avons également découvert le système le plus performant à ce jour", a déclaré John Hegarty.
Ces dernières années, la technologie de capture des variations d’humidité a commencé à émerger. Les méthodes traditionnelles de capture du carbone utilisent des adsorbants pour capturer le dioxyde de carbone à un emplacement source, puis utilisent la chaleur ou un vide créé pour libérer le dioxyde de carbone de l'adsorbant. Le coût énergétique de cette approche est élevé.
Les méthodes traditionnelles de captage du carbone retiennent le dioxyde de carbone, ce qui signifie qu’il faut beaucoup d’énergie pour le libérer et le réutiliser. Cette approche ne fonctionne pas non plus partout. Par exemple, l’agriculture, les fabricants de béton et d’acier sont d’importantes sources d’émissions, mais leur empreinte écologique importante rend impossible la capture du carbone à partir d’une seule source. Les pays les plus riches devraient s’efforcer de réduire leurs émissions en dessous de zéro, tandis que les pays en développement dont l’économie est davantage basée sur le carbone devraient réduire leur production de dioxyde de carbone.
Un autre auteur principal, le professeur de chimie Omar Farha, possède une vaste expérience dans l'exploration du rôle des structures à structure d'oxyde métallique (MOF) dans diverses applications, notamment le captage et le stockage du dioxyde de carbone.
"Le CAD est un problème complexe aux multiples facettes qui nécessite une approche interdisciplinaire", a déclaré Farha. "Ce que j'apprécie dans ce travail, ce sont les mesures détaillées et minutieuses de paramètres complexes. Tout mécanisme proposé doit tenir compte de ces observations complexes."
Des chercheurs antérieurs se sont concentrés sur les ions carbonate et phosphate pour favoriser le piégeage des variations d’humidité et ont développé des hypothèses spécifiques quant à l’efficacité de ces ions spécifiques. Mais l'équipe de Dravid espère tester une plus large gamme d'ions pour voir lesquels fonctionnent le mieux. Dans l’ensemble, ils ont constaté que les ions ayant les états de valence les plus élevés – principalement les phosphates – étaient les plus efficaces. Ils ont donc commencé à rechercher des ions multivalents, en excluant certains, et ont trouvé de nouveaux ions efficaces pour cette application, notamment les silicates et les borates.
L’équipe estime que les futures expériences couplées à la modélisation informatique aideront à mieux expliquer pourquoi certains ions sont plus efficaces que d’autres.
Certaines entreprises s’efforcent déjà de commercialiser le captage direct du carbone atmosphérique, en utilisant des crédits carbone pour inciter les entreprises à compenser leurs émissions. De nombreuses entreprises capturent le carbone déjà capturé grâce à des activités telles que la modification des pratiques agricoles, alors que cette approche pourrait explicitement séquestrer le dioxyde de carbone directement de l'atmosphère, puis le concentrer et finalement le stocker ou le réutiliser.
L'équipe de Dravid prévoit de combiner ce matériau de capture du dioxyde de carbone avec une plate-forme en éponge poreuse développée précédemment pour éliminer les toxines environnementales, notamment le pétrole, les phosphates et les microplastiques.