Dans le cadre des efforts mondiaux visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre, les scientifiques du MIT se concentrent sur la technologie de captage du carbone pour décarboner les émissions industrielles les plus difficiles. Ces résultats, basés sur un seul processus électrochimique, pourraient contribuer à réduire les émissions des industries les plus difficiles à décarboner, comme l’acier et le ciment.
Les chercheurs ont révélé comment capturer et convertir le dioxyde de carbone grâce à un seul processus électrochimique. Dans ce processus, des électrodes (comme celle recouverte de bulles sur la photo) sont utilisées pour absorber le dioxyde de carbone libéré par l'adsorbant et le convertir en un produit neutre en carbone. Crédit photo : JohnFreidah/MITMechE
Des industries telles que la sidérurgie, le ciment et la fabrication de produits chimiques sont particulièrement difficiles à décarboner en raison de leur utilisation inhérente de carbone et de combustibles fossiles dans leurs processus de production. Si une technologie pouvait être développée pour capturer les émissions de carbone et les réutiliser dans le processus de production, il serait possible de réduire considérablement les émissions de ces industries « difficiles à réduire ».
Cependant, les technologies expérimentales actuelles de captage et de conversion du dioxyde de carbone sont deux processus distincts qui nécessitent eux-mêmes de grandes quantités d’énergie pour fonctionner. L'équipe de recherche du MIT espère combiner les deux processus dans un système intégré beaucoup plus économe en énergie, qui pourrait potentiellement utiliser des énergies renouvelables pour capturer et convertir le dioxyde de carbone provenant de ressources industrielles concentrées.
Derniers résultats de recherche sur le captage et la conversion du carbone
Dans une étude publiée le 5 septembre dans la revue ACSCatalysis, des chercheurs révèlent le pouvoir caché de la capture et de la conversion du dioxyde de carbone grâce à un seul processus électrochimique. Le processus consiste à utiliser des électrodes pour absorber le dioxyde de carbone libéré par un adsorbant et le convertir en une forme réduite et réutilisable.
D'autres ont rapporté des démonstrations similaires, mais le mécanisme à l'origine de la réaction électrochimique reste flou. L’équipe du MIT a mené de nombreuses expériences pour déterminer ce facteur et a découvert qu’en fin de compte, il dépend de la pression partielle du dioxyde de carbone. En d’autres termes, plus le dioxyde de carbone en contact avec l’électrode est pur, plus l’électrode peut capturer et convertir efficacement les molécules de dioxyde de carbone.
Comprendre ce principal moteur, ou « espèce active », pourrait aider les scientifiques à régler et à optimiser des systèmes électrochimiques similaires pour capturer et convertir efficacement le dioxyde de carbone dans un processus intégré.
Les résultats de cette étude suggèrent que même si ces systèmes électrochimiques ne conviennent pas à des environnements très restreints (par exemple, capter et convertir les émissions de carbone directement de l'air), ils sont bien adaptés aux concentrations élevées d'émissions produites par les processus industriels, en particulier ceux pour lesquels il n'existe pas d'alternatives renouvelables évidentes.
"Nous pouvons et devons passer aux énergies renouvelables pour la production d'électricité", a déclaré l'auteur de l'étude Betar Gallant, professeur agrégé de développement de carrière au MIT en 1922. "Mais la décarbonisation en profondeur d'industries comme la production de ciment ou d'acier est un défi et prendra plus de temps. Même si nous fermons toutes les centrales électriques, nous aurons besoin de solutions pour réduire les émissions dans d'autres industries à court terme avant de pouvoir décarboniser complètement ces industries. C'est là que nous voyons un point idéal, et quelque chose comme ce système pourrait s'adapter à ce point idéal."
Les co-auteurs de l'étude au MIT comprennent l'auteur principal, le postdoctorant Graham Leverick et l'étudiante diplômée Elizabeth Bernhardt, ainsi qu'Athea Iliani-Esse de l'Université Sunway en Malaisie. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman et Mohamed Kheireddine Aroua.
En savoir plus sur le processus de captage du carbone
La technologie de captage du carbone est conçue pour capter les émissions, ou « conduits de fumée », provenant des cheminées des centrales électriques et des installations de fabrication. Les émissions sont dirigées, principalement par le biais de rénovations majeures, vers une chambre contenant une solution de « capture » (un mélange d'amines ou de composés aminés qui se combinent chimiquement avec le dioxyde de carbone pour créer une forme stable qui peut être séparée du reste des gaz de combustion).
Le dioxyde de carbone capturé est ensuite traité à haute température, souvent en utilisant de la vapeur générée à partir de combustibles fossiles, pour libérer le dioxyde de carbone piégé de ses liaisons amine. Le dioxyde de carbone pur peut être pompé dans des réservoirs de stockage ou sous terre, minéralisé ou transformé en produits chimiques ou en carburants.
"Le captage du carbone est une technologie mature et la chimie a environ 100 ans, mais elle nécessite de très grandes installations et son fonctionnement est assez coûteux et énergivore", souligne Gallant. "Ce dont nous avons besoin, c'est d'une technologie plus modulaire et plus flexible, capable de s'adapter à des sources de dioxyde de carbone plus diverses. Les systèmes électrochimiques peuvent aider à résoudre ce problème."
Son groupe de recherche au MIT développe un système électrochimique capable à la fois de recycler le dioxyde de carbone capturé et de le convertir en produits réduits et utilisables. Un tel système intégré, plutôt qu'un système séparé, pourrait être entièrement alimenté par des énergies renouvelables plutôt que par de la vapeur générée à partir de combustibles fossiles, a-t-elle déclaré.
Leur concept est centré sur une électrode pouvant s’insérer dans la cavité d’une solution existante de captage du carbone. Lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode, les électrons se dirigent vers la forme active du dioxyde de carbone et sont convertis en produits utilisant les protons fournis par l'eau. De cette façon, l’adsorbant peut absorber plus de dioxyde de carbone au lieu d’utiliser de la vapeur pour absorber le dioxyde de carbone.
Gallant a déjà montré que ce processus électrochimique peut capter le dioxyde de carbone et le convertir en carbonate solide. "Nous avons montré dès les premiers concepts que ce processus électrochimique était possible", a-t-elle déclaré. "Depuis lors, d'autres études ont été réalisées sur l'utilisation de ce processus pour tenter de produire des produits chimiques et des carburants utiles. Mais il y a eu des explications incohérentes sur le fonctionnement de ces réactions."
Le rôle du « dioxyde de carbone seul »
Dans la nouvelle étude, l’équipe de recherche du MIT a utilisé une loupe pour observer les réactions spécifiques à l’origine des processus électrochimiques. En laboratoire, ils ont généré des solutions d’amines similaires aux solutions de capture industrielles utilisées pour extraire le dioxyde de carbone des gaz de combustion. Ils ont méthodiquement varié diverses propriétés de chaque solution, telles que le pH, la concentration et le type d'amine, puis ont fait passer chaque solution à travers une électrode d'argent, un métal largement utilisé dans la recherche sur l'électrolyse et connu pour convertir efficacement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. Ils ont ensuite mesuré la concentration de monoxyde de carbone converti à la fin de la réaction et comparé ce chiffre à celui de chacune des autres solutions testées pour déterminer quel paramètre avait le plus grand impact sur la quantité de monoxyde de carbone produite.
En fin de compte, ils ont découvert que ce qui comptait le plus n’était pas le type d’amine utilisé pour capturer le dioxyde de carbone, comme beaucoup le soupçonnaient. Le plus important est plutôt la concentration de molécules de dioxyde de carbone flottantes dans la solution qui évite la liaison aux amines. Ce « dioxyde de carbone seul » détermine la concentration finale de monoxyde de carbone produit.
"Nous avons constaté que ce CO2 'seul' réagit plus facilement que le CO2 capturé par les amines", a déclaré Leverick. "Cela indique aux futurs chercheurs que ce processus est réalisable dans les flux industriels et peut capturer efficacement de fortes concentrations de CO2 et le convertir en produits chimiques et carburants utiles."
"Il ne s'agit pas d'une technologie de suppression, ce qui est important", souligne Gallant. "La valeur que cela apporte est qu'il nous permet de recycler le CO2 plusieurs fois tout en maintenant les processus industriels existants, réduisant ainsi les émissions associées. En fin de compte, mon rêve est d'utiliser des systèmes électrochimiques pour promouvoir la minéralisation et le stockage permanent du CO2, ce qui est une véritable technologie d'élimination. Il s'agit d'une vision à plus long terme. Et une grande partie de la science que nous commençons à comprendre constitue la première étape dans la conception de ces processus. "