Un filtre en graphène pour le captage du carbone

Illustration du filtre en graphène pour le captage du dioxyde de carbone. Crédit : KV Agrawal, EPFL

Illustration du filtre en graphène pour le captage du dioxyde de carbone. Crédit : KV Agrawal, EPFL

Des ingénieurs chimistes de l’EPFL ont mis au point un filtre en graphène pour le captage du carbone. Son efficacité est supérieure à celle des technologies de captage du commerce, et le coût du captage du carbone peut être réduit.

L’un des principaux responsables du réchauffement climatique est le dioxyde de carbone rejeté en grande quantité dans l’atmosphère, principalement lors de la combustion de combustibles fossiles et de la production d’acier et de ciment. En réponse, des scientifiques ont testé un procédé qui peut piéger le dioxyde de carbone rejeté, en le transportant vers un site de stockage puis en le déposant dans un lieu où il ne peut pas pénétrer dans l’atmosphère.

Le problème est que le captage du carbone des centrales électriques et des émissions industrielles n’est pas très économique. La principale raison est que le dioxyde de carbone rejeté n’est pas émis à l’état pur. Il est mélangé avec de l’azote et d’autres gaz. Le séparer des émissions industrielles nécessite une consommation d’énergie supplémentaire, et fait donc augmenter la facture.

Des scientifiques ont tenté de mettre au point un filtre économe en énergie pour le captage du dioxyde de carbone. Apparentée à une «membrane», cette technologie peut extraire le dioxyde de carbone d’un mélange gazeux, avant de le stocker ou de le transformer en produits chimiques utiles. «Toutefois, les performances des filtres actuels pour le captage du dioxyde de carbone sont limitées par les propriétés fondamentales des matériaux actuellement disponibles», explique le professeur Kumar Varoon Agrawal de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL (EPFL Valais Wallis).

Aujourd’hui, Kumar Varoon Agrawal dirige une équipe d’ingénieurs chimistes chargée de développer le filtre le plus mince du monde à partir de graphène, le célèbre matériau innovant qui a remporté le prix Nobel de physique en 2010. Mais le filtre en graphène n’est pas seulement le plus mince du monde, il peut également séparer le dioxyde de carbone d’un mélange de gaz, tels que ceux des émissions industrielles, avec une efficacité et à une vitesse qui dépassent celles des tout derniers filtres. Les travaux sont publiés dans la revue Science Advances.

«Notre approche était simple», confie Kumar Varoon Agrawal. «Nous avons réalisé des trous de la taille du dioxyde de carbone dans du graphène, qui ont permis au dioxyde de carbone de circuler tout en bloquant d’autres gaz tels que l’azote, qui sont plus volumineux que le dioxyde de carbone.» Le résultat est une performance de captage de dioxyde de carbone élevée.

À titre de comparaison, les filtres actuels doivent dépasser 1 000 unités de perméation gazeuse (GPU), alors que leur spécificité de captage du carbone, désignée par «facteur de séparation dioxyde de carbone / azote» doit être supérieure à 20. Les membranes mises au point par les scientifiques de l’EPFL présentent une perméance de dioxyde de carbone plus de dix fois supérieure à 11 800 GPU, tandis que leur facteur de séparation est de 22,5.

«Nous estimons que cette technologie fera baisser le coût du captage du carbone à près de 30 dollars par tonne de dioxyde de carbone, contrairement aux procédés du commerce dont le coût est deux à quatre fois supérieur», ajoute Kumar Varoon Agrawal. Son équipe travaille désormais sur l’élargissement du procédé en développant un démonstrateur d’installation pilote pour capturer 10 kg de dioxyde de carbone par jour, dans le cadre d’un projet financé par le gouvernement suisse et l’industrie suisse.

Funding

Fonds national suisse de la recherche scientifique – AP Energy Grant

Conseil européen de la recherche – Starting Grant

Swiss Competence Center of Energy Research – Efficiency of

Industrial Processes

Swiss National Supercomputing Center

References

S. Huang, S. Li, L. F. Villalobos, M. Dakhchoune, M. Micari, D. J. Babu, M. T. Vahdat, M. Mensi, E. Oveisi, K. V. Agrawal. Millisecond lattice gasification for high-density carbon dioxide- and O2-sieving nanopores in single-layer graphene. Science Advances 2021, 7, eabf0116, 24 February 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abf0116