Xavier Boyer
En utilisant un polymère peu coûteux appelé mélamine – le composant principal de Formica – les chimistes ont créé un moyen bon marché, facile et économe en énergie de capturer le dioxyde de carbone des cheminées, un objectif clé pour les États-Unis et d’autres pays alors qu’ils cherchent à réduire les émissions de gaz à effet de serre. émissions de gaz.
Le processus de synthèse du matériau mélamine, publié cette semaine dans la revue Science Developments, pourrait potentiellement être réduit pour capturer les émissions des gaz d’échappement des véhicules ou d’autres resources mobiles de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles représente environ 75 % de tous les gaz à effet de serre produits aux États-Unis.
Le nouveau matériau est basic à fabriquer, nécessitant principalement de la poudre de mélamine common – qui coûte aujourd’hui approximativement 40 dollars la tonne – ainsi que du formaldéhyde et de l’acide cyanurique, un produit chimique qui, entre autres utilisations, est ajouté au chlore dans les piscines..
“Nous voulions réfléchir à un matériau de seize du carbone dérivé de resources vraiment bon marché et faciles à obtenir. Nous avons donc décidé de commencer par la mélamine”, a déclaré Jeffrey Reimer, professeur à la Graduate Faculty du Département de chimie et de Génie biomoléculaire à l’Université de Californie, Berkeley, et l’un des auteurs correspondants de l’article.
Le réseau dit poreux mélaminé capture le dioxyde de carbone avec une efficacité equivalent aux premiers résultats d’un autre matériau relativement récent pour la capture du carbone, les cadres organométalliques ou MOF. Les chimistes de l’UC Berkeley ont créé le premier MOF de capture de carbone de ce kind en 2015, et les variations ultérieures se sont révélées encore in addition efficaces pour éliminer le dioxyde de carbone des gaz de combustion, tels que ceux d’une centrale électrique au charbon.
Mais Haiyan Mao, un boursier postdoctoral de l’UC Berkeley qui est le leading auteur de l’article, a déclaré que les matériaux à base de mélamine utilisent des ingrédients beaucoup moins chers, sont furthermore faciles à fabriquer et sont additionally économes en énergie que la plupart des MOF. Le faible coût de la mélamine poreuse signifie que le matériau pourrait être largement déployé.
“Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la conception de matériaux moins chers pour la seize et le stockage et sur l’élucidation du mécanisme d’interaction entre le CO2 et le matériau”, a déclaré Mao. “Ce travail crée une méthode d’industrialisation générale vers une seize tough du CO2 à l’aide de réseaux poreux. Nous espérons pouvoir concevoir un futur accessoire pour capturer les gaz d’échappement des voitures, ou peut-être un accessoire sur un bâtiment ou même un revêtement sur la floor des meubles.”
Le travail est une collaboration entre un groupe à l’UC Berkeley dirigé par Reimer un groupe à l’Université de Stanford dirigé par Yi Cui, directeur du Precourt Institute for Vitality, professeur invité Somorjai Miller à l’UC Berkeley et ancien boursier postdoctoral à l’UC Berkeley Professeur UC Berkeley de la Graduate School Alexander Pines et un groupe de la Texas A&M College dirigé par Hong-Cai Zhou. Jing Tang, boursier postdoctoral à Stanford et au Stanford Linear Accelerator Middle et chercheur invité à l’UC Berkeley, est le co-leading auteur avec Mao.
Neutralité carbone d’ici 2050
Bien que l’élimination de la combustion de combustibles fossiles soit essentielle pour stopper le changement climatique, une stratégie intermédiaire majeure consiste à capturer les émissions de dioxyde de carbone – le principal gaz à effet de serre – et à stocker le gaz sous terre ou à transformer le CO2 en produits utilisables. Le département américain de l’Énergie a déjà annoncé des projets totalisant 3,18 milliards de bucks pour stimuler les technologies avancées et commercialement évolutives de seize, d’utilisation et de séquestration du carbone (CCUS) afin d’atteindre un objectif ambitieux d’efficacité de seize du CO2 dans les gaz de combustion de 90 %. L’objectif ultime des États-Unis est de zéro émission nette de carbone d’ici 2050.
Mais la seize du carbone est loin d’être commercialement viable. La meilleure technique consiste aujourd’hui à canaliser les gaz de combustion à travers des amines liquides, qui fixent le CO2. Mais cela nécessite de grandes quantités d’énergie pour libérer le dioxyde de carbone une fois qu’il est lié aux amines, afin qu’il puisse être concentré et stocké sous terre. Le mélange d’amines doit être chauffé entre 120 et 150 degrés Celsius (250-300 degrés Fahrenheit) pour régénérer le CO2.
En revanche, le réseau poreux de mélamine avec modification DETA et acide cyanurique seize le CO2 à environ 40 degrés Celsius, légèrement au-dessus de la température ambiante, et le libère à 80 degrés Celsius, en dessous du level d’ébullition de l’eau. Les économies d’énergie proviennent du fait de ne pas avoir à chauffer la material à des températures élevées.
Dans ses recherches, l’équipe de Berkeley/Stanford/Texas s’est concentrée sur la mélamine polymère commune, qui est utilisée non seulement dans le Formica, mais aussi dans la vaisselle et les ustensiles bon marché, les revêtements industriels et d’autres plastiques. Le traitement de la poudre de mélamine avec du formaldéhyde – ce que les chercheurs ont fait en kilogrammes – crée des pores à l’échelle nanométrique dans la mélamine qui, selon les chercheurs, absorberaient le CO2.
Mao a déclaré que les tests ont confirmé que la mélamine traitée au formaldéhyde adsorbait quelque peu le CO2, mais l’adsorption pourrait être grandement améliorée en ajoutant un autre produit chimique contenant une amine, DETA (diéthylènetriamine), pour lier le CO2. Elle et ses collègues ont ensuite découvert que l’ajout d’acide cyanurique pendant la réaction de polymérisation augmentait considérablement la taille des pores et améliorait radicalement l’efficacité de capture du CO2 : presque tout le dioxyde de carbone dans un mélange de gaz de combustion simulé était absorbé en 3 minutes approximativement.
L’ajout d’acide cyanurique a également permis au matériau d’être utilisé encore et encore.
Mao et ses collègues ont mené des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide pour comprendre comment l’acide cyanurique et le DETA interagissaient pour rendre la capture du carbone si efficace. Les études ont montré que l’acide cyanurique forme de fortes liaisons hydrogène avec le réseau de mélamine qui aide à stabiliser le DETA, l’empêchant de s’échapper des pores de la mélamine lors de cycles répétés de seize et de régénération du carbone.
“Ce que Haiyan et ses collègues ont pu montrer avec ces approaches élégantes, c’est exactement remark ces groupes s’entremêlent, exactement remark le CO2 réagit avec eux, et qu’en présence de cet acide cyanurique qui ouvre les pores, elle est capable d’activer et de désactiver le CO2 de nombreux fois avec une capacité qui est vraiment très bonne », a déclaré Reimer. “Et la vitesse à laquelle le CO2 s’adsorbe est en fait assez rapide, par rapport à certains autres matériaux. Ainsi, tous les features pratiques à l’échelle du laboratoire de ce matériau pour la capture du CO2 ont été satisfaits, et il est tout simplement incroyablement bon marché et facile à fabriquer.”
“En utilisant des techniques de résonance magnétique nucléaire à l’état solide, nous avons systématiquement élucidé avec des détails sans précédent au niveau atomique le mécanisme de la réaction des réseaux amorphes avec le CO2”, a déclaré Mao. “Pour la communauté de l’énergie et de l’environnement, ce travail crée une famille de réseaux à semi-conducteurs hautes performances ainsi qu’une compréhension approfondie des mécanismes, mais really encourage également l’évolution de la recherche sur les matériaux poreux des méthodes d’essais et d’erreurs vers des méthodes rationnelles et par étapes. -modulation par étape, au niveau atomique.”
Les groupes Reimer et Cui continuent de peaufiner la taille des pores et les groupes amines pour améliorer l’efficacité de capture du carbone des réseaux poreux de mélamine, tout en maintenant l’efficacité énergétique. Cela implique d’utiliser une system appelée chimie combinatoire dynamique pour faire varier les proportions d’ingrédients afin d’obtenir une capture du CO2 efficace, évolutive, recyclable et de grande capacité.
Reimer et Mao ont également collaboré étroitement avec le groupe Cui de Stanford pour synthétiser d’autres kinds de matériaux, notamment des membranes nanoporeuses hiérarchiques – une classe de nanocomposites combinés à une sphère de carbone et à de l’oxyde de graphène – et des carbones nanoporeux hiérarchiques fabriqués à partir de bois de pin, pour adsorbe le dioxyde de carbone. Reimer a développé la RMN à l’état solide spécifiquement pour caractériser le mécanisme par lequel les matériaux solides interagissent avec le dioxyde de carbone, afin de concevoir de meilleurs matériaux pour la seize du carbone de l’environnement et le stockage de l’énergie. Cui a développé une plate-forme à semi-conducteurs robuste et tough et des techniques de fabrication pour créer de nouveaux matériaux pour faire facial area au changement climatique et au stockage de l’énergie.
