Absorption de CO2 sur le graphène pyridinique-N-substitué. Illustration schématique du N pyridinique au bord des pores et du -NH2 près du bord des pores et liaison de ces groupes avec du CO2. Dans le schéma, le réseau de graphène est constitué d’atomes de carbone représentés en marron, avec de l’azote pyridinique (atomes bleus) substitué aux bords des pores, des groupes amine primaire (bleu clair) près des bords des pores et de l’azote graphitique (atomes violets) incorporés dans le treillis. CO2 les molécules sont représentées par deux atomes rouges et blancs, adsorbés sur le réseau de graphène. Crédit: Énergie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41560-024-01556-0
Des scientifiques de l’EPFL ont développé des membranes de graphène ultra-fines avec de l’azote pyridinique au bord des pores, démontrant des performances sans précédent dans le CO2 capturer. Il s’agit d’un progrès significatif vers des technologies de capture du carbone plus efficaces.
Alors que le monde lutte contre le changement climatique, le besoin de technologies efficaces et rentables de captage du carbone est plus urgent que jamais. Dans cette optique, les scientifiques explorent un certain nombre d’innovations visant à réduire considérablement les émissions industrielles de carbone, ce qui est essentiel pour atténuer le réchauffement climatique.
L’une d’elles est le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS), une technologie essentielle qui réduit le dioxyde de carbone (CO2) les émissions provenant de sources industrielles difficiles à réduire telles que les centrales électriques, les cimenteries, les aciéries et les incinérateurs de déchets. Mais les méthodes de capture actuelles reposent sur des processus à forte intensité énergétique, ce qui les rend coûteuses et non durables.
La recherche vise désormais à développer des membranes capables de capter sélectivement le CO2 avec un rendement élevé, réduisant ainsi les coûts énergétiques et financiers associés au CSC. Mais même les membranes les plus récentes, comme les films minces polymères, sont limitées en termes de CO2 perméance et sélectivité, ce qui limite leur évolutivité.
Le défi est donc de créer des membranes capables simultanément d’offrir un taux élevé de CO2 perméance et sélectivité, cruciales pour une capture efficace du carbone.
Une équipe de scientifiques dirigée par Kumar Varoon Agrawal à l’EPFL a réalisé une percée dans ce domaine en développant des membranes qui présentent une teneur exceptionnelle en CO2 capturer les performances en incorporant de l’azote pyridinique aux bords des pores du graphène.
Les membranes atteignent un équilibre remarquable de CO élevé2 perméance et sélectivité, ce qui les rend très prometteurs pour diverses applications industrielles. L’ouvrage est publié dans Énergie naturelle.
Les chercheurs ont commencé par synthétiser des films de graphène monocouches par dépôt chimique en phase vapeur sur une feuille de cuivre. Ils ont introduit des pores dans le graphène par oxydation contrôlée avec de l’ozone, qui ont formé des pores fonctionnalisés par des atomes d’oxygène. Ils ont ensuite développé une méthode pour incorporer des atomes d’azote au bord des pores sous forme de N pyridinique en faisant réagir le graphène oxydé avec de l’ammoniac à température ambiante.
Les chercheurs ont confirmé l’incorporation réussie d’azote pyridinique et la formation de CO2 complexes aux bords des pores en utilisant diverses techniques, telles que la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la microscopie à effet tunnel. L’incorporation de N pyridinique a remarquablement amélioré la liaison du CO2 sur les pores du graphène.
Les membranes résultantes ont montré une teneur élevée en CO2/N2 facteur de séparation, avec une moyenne de 53 pour un flux gazeux contenant 20% de CO2. Remarquablement, les ruisseaux contenant environ 1% de CO2a atteint des facteurs de séparation supérieurs à 1 000 en raison de la liaison compétitive et réversible du CO2 aux bords des pores, facilitée par l’azote pyridinique.
Les scientifiques ont également montré que le processus de préparation des membranes est évolutif, produisant des membranes hautes performances à l’échelle centimétrique. Ceci est crucial pour les applications pratiques, ce qui signifie que les membranes peuvent être déployées dans des environnements industriels à grande échelle.
La haute performance de ces membranes en graphène pour capter le CO2, même à partir de flux de gaz dilués, peut réduire considérablement les coûts et les besoins énergétiques des processus de captage du carbone. Cette innovation ouvre de nouvelles voies dans le domaine de la science des membranes, conduisant potentiellement à des solutions CCUS plus durables et plus économiques.
La chimie uniforme et évolutive utilisée dans la création des membranes signifie qu’elles pourront bientôt être étendues à plus grande échelle. L’équipe cherche désormais à produire ces membranes par un procédé continu roll-to-roll. La polyvalence et l’efficacité de ces membranes pourraient transformer la façon dont les industries gèrent leurs émissions et contribuer à un environnement plus propre.
Plus d’information:
Kuang-Jung Hsu et al, Membranes de graphène avec de l’azote pyridinique aux bords des pores pour un CO haute performance2 capturer, Énergie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41560-024-01556-0
Fourni par l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Citation: Les membranes de graphène ultra-fines rendent la capture du carbone plus efficace (24 juin 2024) récupéré le 24 juin 2024 sur
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