Capter le dioxyde de carbone et le convertir efficacement en énergie

Ces résultats, qui reposent sur un seul processus électrochimique, pourraient contribuer à réduire les émissions des industries difficiles à décarboner, comme l’acier et le ciment.

Dans le cadre des efforts visant à réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre dans le monde, les scientifiques de Massachusetts Institute of Technology Ils se concentrent sur les technologies de captage du carbone pour décarboner les émissions industrielles les plus difficiles.

Il est particulièrement difficile de décarboner des industries telles que la sidérurgie, le ciment et la fabrication de produits chimiques en raison de l’utilisation inhérente de carbone et de combustibles fossiles dans leurs processus. Si des technologies peuvent être développées pour capter les émissions de carbone et les réutiliser dans le processus de production, cela pourrait conduire à une réduction significative des émissions de ces secteurs « difficiles à atténuer ».

Cependant, les technologies expérimentales actuelles qui capturent et convertissent le dioxyde de carbone le font selon deux processus distincts, qui nécessitent eux-mêmes une énorme quantité d’énergie pour fonctionner. L’équipe du MIT cherche à combiner les deux processus en un seul système intégré, plus économe en énergie, pouvant fonctionner avec des énergies renouvelables pour capturer et convertir le dioxyde de carbone provenant de sources industrielles concentrées.

Découvertes récentes sur le captage et la conversion du carbone

Dans une étude publiée le 5 septembre dans la revue Catalyse ACSLes chercheurs révèlent la fonction cachée de la façon dont le dioxyde de carbone est capturé et converti par un seul processus électrochimique. Le processus consiste à utiliser une électrode pour capturer le dioxyde de carbone libéré par le matériau absorbant, le convertissant en une forme diluée réutilisable.

D’autres ont rapporté des démonstrations similaires, mais les mécanismes à l’origine de la réaction électrochimique restent flous. L’équipe du MIT a mené des expériences approfondies pour déterminer cette poussée, et a finalement découvert qu’elle était due à la pression partielle du dioxyde de carbone. En d’autres termes, plus le CO2 qui entre en contact avec l’électrode est pur, plus l’électrode capture et convertit efficacement la molécule.

Découvrez ce qu’est ce moteur principal, ou « actif ». Classer« , pourrait aider les scientifiques à affiner et à optimiser des systèmes électrochimiques similaires pour capturer et convertir efficacement le dioxyde de carbone dans un processus intégré.

Les résultats de l’étude indiquent que même si ces systèmes électrochimiques ne conviennent pas aux environnements très dilués (par exemple, pour capter et convertir les émissions de carbone directement de l’air), ils seraient bien adaptés aux émissions hautement concentrées générées par les processus industriels. Surtout ceux qui n’ont pas d’alternative claire aux énergies renouvelables.

« Nous pouvons et devons nous tourner vers des sources d’énergie renouvelables pour produire de l’électricité », déclare l’auteur de l’étude Petar Galant, professeur agrégé de développement de carrière au MIT, promotion 1922. « La décarbonisation en profondeur des industries comme la production de ciment ou d’acier est un défi et prendra du temps. » « Même si nous supprimons toutes nos centrales électriques, nous avons besoin de solutions pour gérer les émissions des autres industries à court terme, avant de pouvoir les décarboner complètement. C’est là que nous voyons un point idéal, où quelque chose comme ce système pourrait fonctionner.

Les co-auteurs de l’étude du MIT sont l’auteur principal et chercheur postdoctoral Graham Leverick et l’étudiante diplômée Elizabeth Bernhardt, ainsi qu’Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman et Mohd Khairuddin Arua de l’Université Sunway de Malaisie.

Comprendre le processus de captage du carbone

Les technologies de captage du carbone sont conçues pour capter les émissions, ou « gaz de combustion », provenant des cheminées des centrales électriques et des installations de fabrication. Cela se fait principalement en utilisant de grandes rénovations pour diriger les émissions vers des chambres remplies d’une solution de « capture » – un mélange d’amines, ou de composés à base d’ammoniac, qui se lient chimiquement au dioxyde de carbone, créant une forme stable qui peut être séparée du reste. Des gaz de combustion.

Des températures élevées sont ensuite appliquées, généralement sous forme de vapeur de combustible fossile, pour libérer le dioxyde de carbone capturé par la liaison aminé. Sous sa forme pure, le gaz peut ensuite être pompé dans des réservoirs de stockage ou souterrains, minéralisé ou transformé en produits chimiques ou en carburant.

« Le captage du carbone est une technologie mature, car la chimie est connue depuis environ 100 ans, mais elle nécessite de très grandes installations et son fonctionnement est très coûteux et énergivore », souligne Gallant. « Ce que nous voulons, ce sont des technologies plus flexibles et plus flexibles, qui peuvent être adaptées à des sources de dioxyde de carbone plus diverses. Les systèmes électrochimiques peuvent aider à résoudre ce problème. »

Son groupe au MIT développe un système électrochimique qui récupère le dioxyde de carbone capturé et le transforme en un produit réduit et utilisable. Un tel système intégré, plutôt que séparé, pourrait être entièrement alimenté par de l’électricité renouvelable plutôt que par de la vapeur dérivée de combustibles fossiles, dit-elle.

Leur concept s’articule autour d’une électrode qui peut être installée dans des chambres existantes pour les solutions de captage du carbone. Lorsqu’une tension est appliquée à l’électrode, les électrons circulent sur la forme réactive du dioxyde de carbone et le convertissent en un produit utilisant des protons fournis par l’eau. Cela rend l’absorbant disponible pour lier davantage de dioxyde de carbone, plutôt que d’utiliser de la vapeur pour faire la même chose.

Gallant a déjà démontré que ce processus électrochimique peut capter le dioxyde de carbone et le transformer en gaz. Forme de carbonate solide.

«Nous avons montré que ce processus électrochimique était possible dès les premiers concepts», dit-elle. « 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 la façon dont ces réactions fonctionnent, sous le capot. »

Rôle du Solo CO2

Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a pris une loupe sous le capot pour découvrir les réactions spécifiques qui conduisent le processus électrochimique. En laboratoire, ils ont produit des solutions aminées qui ressemblent à des solutions de capture industrielles utilisées pour extraire le dioxyde de carbone des gaz de combustion. Ils ont systématiquement varié les différentes 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 en argent, un métal largement utilisé dans les études d’électrolyse et connu pour sa capacité à convertir efficacement le dioxyde de carbone en carbone. . Monoxyde. Ils ont ensuite mesuré la concentration de monoxyde de carbone converti à la fin de la réaction et comparé ce chiffre avec toutes les autres solutions testées, pour voir quel paramètre avait le plus grand effet 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 initialement pour piéger le dioxyde de carbone, comme beaucoup l’avaient prévu. Au lieu de cela, c’était la concentration de molécules de CO2 libres et uniques qui évitait de se lier aux amines mais qui étaient néanmoins présentes dans la solution. Le « dioxyde de carbone unique » détermine la concentration de monoxyde de carbone qui est finalement produite.

« Nous avons constaté qu’il était plus facile de réagir avec un seul dioxyde de carbone qu’avec du dioxyde de carbone capturé par l’amine », explique Leverick. « Cela indique aux futurs chercheurs que ce processus pourrait être réalisable pour les flux industriels, car de fortes concentrations de dioxyde de carbone peuvent être efficacement capturées et converties en produits chimiques et carburants utiles. »

« Il ne s’agit pas d’une technique de retrait, et il est important de le mentionner », 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, pour réduire les émissions associées. A terme, mon rêve est que les systèmes électrochimiques puissent être utilisés pour faciliter la minéralisation et le stockage permanent du CO2, un véritable technologie d’élimination. » Il s’agit d’une vision à long terme, et une grande partie de la science que nous commençons à comprendre est une première étape vers la conception de ces processus.

Référence: « Détection d’espèces actives dans le dioxyde de carbone médié par les amines₂ « Réduction du CO2 dans l’agriculture » ​​par Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa et Petar M. Gallant*, 5 septembre 2023, Catalyse ACS.
est ce que je: 10.1021/acscatal.3c02500

Cette recherche est soutenue par l’Université Sunway Malaisie.