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Une nouvelle génération de membranes pour capturer le carbone

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Des ingénieurs chimiques de l’EPFL Valais Wallis ont mis au point une nouvelle classe de membranes à haut rendement pour le captage du carbone qui dépassent de loin les objectifs actuels.

Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre. Une grande partie du CO2 produit lorsqu’on brûle des combustibles fossiles est libérée dans l’atmosphère, aggravant ainsi le réchauffement climatique. Un moyen de réduire le rejet de gaz carbonique consiste à capturer le carbone, une technique chimique qui extrait le CO2 des émissions (postcombustion) pour qu’il ne se retrouve pas dans l’atmosphère. Le CO2 capturé peut ensuite être soit recyclé, soit stocké sous forme de gaz ou de liquide, un procédé appelé séquestration.

Le captage du carbone peut se faire grâce à ce qu’on appelle des membranes à haut rendement, des filtres polymères capables de sélectionner spécifiquement le CO2 dans des mélanges de gaz tels que ceux qui sont rejetés par les usines. Ces membranes sont respectueuses de l’environnement, elles ne génèrent pas de déchets, elles peuvent amplifier des processus chimiques et être utilisées de façon décentralisée. En fait, elles sont actuellement considérées comme l’un des moyens au meilleur rendement énergétique pour réduire les émissions de gaz carbonique.

Des scientifiques dirigés par Kumar Varoon Agrawal de l’EPFL Valais Wallis ont mis au point une nouvelle classe de membranes à haut rendement qui dépassent considérablement les objectifs de captage postcombustion. Ces membranes ont pour base une couche unique de graphène avec une couche sélective d’une épaisseur inférieure à 20 nm. En matière de chimie, elles présentent un large potentiel d’adaptation, ce qui signifie qu’elles peuvent ouvrir la voie à une nouvelle génération de membranes à haut rendement pour plusieurs séparations essentielles.

Des chaînes polymères à sélectivité CO2 ancrées sur du graphène captent efficacement le CO2 d’un mélange de gaz de combustion. Crédit: K .V. Agrawal (EPFL)

Les membranes actuelles doivent dépasser 1000 unités de perméance du gaz (gas permeation unit, GPU) et présenter un facteur de séparation CO2/N2 (une mesure de leur capacité à capturer le carbone) supérieur à 20. Celles que les chercheurs de l’EPFL ont mises au point possèdent une perméance au CO2 six fois plus élevée, 6180 GPU, et un facteur de séparation de 22,5. Leur GPU a même grimpé à 11 790 lorsque les scientifiques ont combiné la porosité optimisée du graphène, la taille des pores et les groupes fonctionnels (les groupes chimiques qui réagissent avec le CO2), tandis que d’autres membranes qu’ils ont fabriquées ont atteint des facteurs de séparation allant jusqu’à 57,2.

«Fonctionnaliser les chaînes polymères à sélectivité CO2 sur du graphène nanoporeux nous permet de créer des membranes d’épaisseur nanométrique, mais sélectives du CO2, explique Kumar Agrawal. La nature bidimensionnelle de la membrane accroît considérablement la perméance au CO2, ce qui rend les membranes encore plus intéressantes pour le captage du carbone. Le concept est très générique et ouvre la voie à une série de séparations de gaz à haut rendement.»

Autres contributeurs

Centre interdisciplinaire de microscopie électronique (CIME) de l’EPFL

Financement

EPFL

Conseil des EPF

GAZNAT

Fonds national suisse de la recherche scientifique

Centre de compétence suisse pour la recherche énergétique – Efficacité des processus industriels (SCCER EIP)

Horizon 2020, programme de l’Union européenne (bourse Marie Skłodowska-Curie)

Références

Guangwei He, Shiqi Huang, Luis Francisco Villalobos, Jing Zhao, Mounir Mensi, Emad Oveisi, Mojtaba Rezaei, Kumar Varoon Agrawal. High-permeance polymer-functionalized single-layer graphene membranes that surpass the postcombustion carbon capture target. Energy & Environmental Science, 26 juillet 2019. DOI: 10.1039/c9ee01238a