Les membranes de graphène à haute sélectivité améliorent l'efficacité de la capture du CO₂

6 juillet 2024 caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) est une étape cruciale pour atténuer le changement climatique et protéger l'environnement sur Terre. Une technologie proposée pour réduire les émissions de CO₂, notamment des centrales électriques et des établissements industriels, est la capture du carbone.

La capture du carbone implique la séparation du CO₂ des gaz mixtes émis et sa capture pour empêcher sa libération dans l'air. Une approche pour cela consiste à utiliser des membranes spéciales qui servent de 'barrières' sélectives, permettant au CO₂ de les traverser et de l'absorber, tout en bloquant le passage des autres gaz.

Jusqu'à présent, le développement de membranes performantes et peu coûteuses capables de capturer le CO₂ s'est avéré difficile. Cela a réduit de manière significative le potentiel de ces solutions pour des applications réelles.

Des chercheurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont récemment introduit de nouvelles membranes en graphène qui pourraient permettre une capture du carbone à haute performance. Ces membranes, présentées dans un article publié dans Nature Energy, incorporent de l'azote pyridinique sur les bords de leurs pores, ce qui facilite la liaison du CO₂ à ces pores.

'Nous cherchions à améliorer les performances de séparation des membranes en graphène,' a déclaré Kumar Varoon Agrawal, auteur correspondant de l'article, à Phys.org. 'Nous avons beaucoup travaillé sur l'augmentation de la porosité du graphène, l'amélioration de la distribution de taille des pores et l'ajout de groupes polymères aux pores pour améliorer la sélectivité CO2/N2 ainsi que pour obtenir une perméance élevée de CO₂. Cependant, nous obtenions soit une perméance élevée, soit une sélectivité élevée, mais pas les deux.'

Après avoir examiné la littérature passée et mené leurs propres études visant à développer des membranes pour la capture du carbone, Agrawal et ses collègues ont réalisé qu'il manquait encore des membranes à base de graphène présentant à la fois une haute sélectivité et une perméance élevée. Pour aller vers le développement de ces solutions, ils ont cherché à concevoir une méthode qui améliorerait la liaison du CO₂ aux pores du graphène.

La méthode proposée consiste à exposer l'ammoniac à du graphène oxydé monocouche à température ambiante. Ce processus a permis d'incorporer de l'azote pyridinique sur les bords des pores de la membrane, ce qui renforce la liaison de ces pores avec le CO2.

'Nous avons introduit de l'azote atomique sous forme de N pyridinique dans les pores du graphène,' a déclaré Agrawal. 'Cette forme de N a une grande affinité pour le CO2. Cette approche est bénéfique car le treillis de graphène reste mince à l'échelle atomique et nous permet d'obtenir à la fois une haute sélectivité et une perméance élevée.'

Les chercheurs ont constaté que leur méthode a conduit à des membranes avec un facteur de séparation moyen CO2/N2 prometteur de 53 et une perméance moyenne de CO2 de 10 420 à partir d'un flux contenant 20 % de CO2. Pour un flux de CO2 dilué avec un volume de ~1 %, la membrane a atteint des facteurs de séparation supérieurs à 1 000.

'Nous avons pu réaliser l'incorporation de N pyridinique par une méthode simple, en trempant simplement le graphène poreux dans de l'ammoniac,' a déclaré Agrawal. 'Nous avons remarqué que cela a conduit à une amélioration remarquable de la sélectivité CO2/N2 tout en maintenant une perméance exceptionnelle. De plus, cela a conduit à une sélectivité CO2/N2 extrêmement élevée pour un flux de CO2 dilué, supérieur à 1 000, ce qui est extrêmement attrayant.'

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