Comment les matériaux à base de silice améliorent-ils l'adsorption du CO2 et les applications associées ?

Les nanoparticules de silice (SiO2), modifiées par des groupes chimiques fonctionnels, ont montré un potentiel remarquable pour la capture du CO2. Les modifications superficielles des nanoparticules de SiO2 influencent directement leur capacité d'adsorption, en particulier lorsqu'elles sont fonctionnalisées par des amines. Par exemple, les nanoparticules de SiO2 modifiées avec le 3-amino-propyl-triéthoxysilane (APTES@SiO2) ont montré une amélioration notable de l'adsorption du CO2, atteignant des valeurs de 0,57 et 0,80 mmol/g par rapport au matériau non modifié [33]. Ces matériaux fonctionnalisés ont démontré une capacité d'adsorption supérieure, même sous des conditions de pression de gaz CO2 faibles et élevées, par rapport aux nanoparticules dendritiques et à base de peptides.

L'adsorption du CO2 a été également optimisée dans le cas des nanoparticules de silice mésoporeuses modifiées, telles que celles fonctionnalisées avec des amines et présentant une distribution hiérarchique des tailles de pores. Ces matériaux ont montré une capacité améliorée, atteignant jusqu'à 80,5 mg/g à 75°C sous des conditions de 1 bar et 15 vol% de CO2, tout en présentant une excellente sélectivité et une durabilité cyclique impressionnante [35]. Ces modifications ont également permis de renforcer la stabilité thermique des matériaux, essentielle pour des applications à haute température.

Par ailleurs, les matériaux silice mésoporeux comme MCM-41 et SBA-15 se distinguent par leurs structures poreuses bien définies, favorisant l'adsorption et la désorption rapides du CO2. L'ajustement de la taille des pores et de la chimie de surface de ces matériaux permet d'optimiser leur capacité à piéger le CO2 pour des applications spécifiques. Par exemple, le SBA-15 modifié avec du polyéthylène-imine (PEI) a montré une augmentation de l'adsorption de CO2 de 15%, atteignant 3,63 mmol CO2/g grâce à une amélioration significative de ses propriétés structurelles [37].

Les structures poreuses des MCM-41, qui offrent une grande surface spécifique et un volume de pores substantiel, sont également un choix intéressant pour la capture du CO2. Cependant, leur capacité d'adsorption reste limitée en raison du manque de sites actifs spécifiques pour l'adsorption. Pour surmonter cette limitation, des modifications, telles que l'ajout de polydopamine ou de diverses amines cycliques, ont montré une amélioration des performances. Par exemple, l'ajout de morpholine ou de 1-méthylpipérazine au MCM-48 a permis d'atteindre une capacité d'adsorption de CO2 de 4,4 mmol/g [39].

Les matériaux silice mésoporeux modifiés, comme le MCM-41, ont également été optimisés par des méthodes de dépôt de carbone, ce qui améliore leur capacité à piéger le CO2 en augmentant la surface spécifique et le volume des pores. Dans une étude, un système bimodal de pores a été développé, améliorant de manière significative la capacité d'adsorption du CO2 par rapport aux matériaux mésoporeux classiques [40]. Le traitement post-synthèse avec dépôt de carbone et lavage acide a montré des améliorations importantes, avec une augmentation de la capacité d'adsorption allant jusqu'à 66% pour le Si-MCM-41 pur.

Une autre approche innovante a été la synthèse d'un nanocomposite mesoporeux à partir de nanotubes de halloysite naturels (HNTs) et de silice mésoporeuse, fonctionnalisée avec du PEI. Ce matériau, après son processus de synthèse, a montré une amélioration significative, avec une surface spécifique augmentée d'environ sept fois et une capacité d'adsorption atteignant 7,84 mmol/g à une température de 20°C et une pression de 9 bar [42]. Ce type de matériau a également montré une stabilité thermique exceptionnelle et une performance consistante tout au long des cycles d'adsorption et de désorption.

Il est essentiel de noter que non seulement la méthode de synthèse, mais aussi l'agent fonctionnalisant utilisé peut influencer de manière significative la capacité d'adsorption du CO2. Des études ont démontré que l'optimisation de la concentration de l'amine, ainsi que des conditions de pression et de température, joue un rôle crucial dans l'efficacité du processus d'adsorption. Les réseaux neuronaux artificiels et la méthode RSM (Response Surface Methodology) ont même été utilisés pour modéliser et optimiser les conditions de capture du CO2 dans des adsorbants à base de halloysite fonctionnalisés au PEI [43].

Le développement de ces matériaux à base de silice, qu'il s'agisse de nanoparticules ou d'aérogels, démontre le potentiel considérable des supports poreux dans les applications de capture du CO2. Les aérogels de silice, par exemple, sont des matériaux particulièrement prometteurs en raison de leur faible densité, de leur grande surface spécifique et de leurs pores de taille relativement grande, ce qui favorise la diffusion des gaz. La méthode de synthèse par sol-gel suivie d'un séchage supercritique a permis la création de réseaux tridimensionnels très poreux, idéaux pour l'adsorption du CO2 [44].

Les matériaux de silice fonctionnalisés et modifiés continuent de faire l'objet de recherches approfondies, visant à améliorer leur capacité d'adsorption, leur sélectivité, ainsi que leur stabilité thermique. Leur application dans la capture du CO2 et d'autres gaz à effet de serre pourrait jouer un rôle clé dans la lutte contre le changement climatique, en particulier si leur efficacité peut être optimisée à travers des modifications structurelles et fonctionnelles.

Comment la capture du CO2 à travers des membranes et par adsorption peut-elle révolutionner l'industrie énergétique ?

Le transport facilité du CO2 à travers des membranes représente un mécanisme unique qui diffère des méthodes de diffusion classiques. Il repose sur un transport qui ne dépend pas uniquement du gradient de concentration dans le perméat, mais implique un transport via un porteur fixe, souvent à base d'amines. Ce procédé commence lorsque le CO2 est absorbé et réagit pour former des bicarbonates, qui traversent ensuite la membrane. Une fois de l'autre côté, les bicarbonates réagissent à nouveau pour libérer du CO2, qui est ensuite libéré du côté perméable. Ce processus diminue non seulement la perméabilité du CO2, mais aussi sa sélectivité à mesure que la pression partielle de CO2 augmente, ce qui en fait un domaine de recherche pertinent pour améliorer l'efficacité des technologies de capture du CO2.

En ce qui concerne l'adsorption du CO2, bien qu'il s'agisse d'une technologie ancienne et bien maîtrisée, sa faible sélectivité et sa capacité restreinte limitent son utilisation pour l'élimination du CO2. Cependant, dans les applications commerciales telles que la production d'ammoniac ou le traitement des gaz, l'absorption par solvants chimiques ou physiques reste l'une des méthodes les plus économiques. La recherche s'est concentrée principalement sur la découverte des propriétés spécifiques des solvants, en particulier des amines, mais peu d'attention a été accordée aux mélanges complexes qui, en réalité, montrent souvent les meilleures performances. L'élargissement des technologies d'adsorption et d'absorption, particulièrement par des sorbants adaptés aux variations de température, de débit et de pression, est une direction importante pour la recherche future.

Les conditions opératoires jouent un rôle crucial dans l'efficacité de l'adsorption du CO2. Par exemple, il a été démontré que l'augmentation de la température diminue la capacité d'adsorption du CO2 pour de nombreux adsorbants. Pour des matériaux tels que l'alumine activée (AA) et le charbon actif avec NaOH, la capacité d'adsorption maximale est observée à des températures proches de 293 K. Une température plus élevée (par exemple 353 K) réduit cette capacité, confirmant que l'adsorption du CO2 est un processus exothermique. Cependant, certains adsorbants, comme l'hydroxyde de sodium (NaOH), montrent un comportement différent, avec une meilleure efficacité à des températures légèrement plus élevées, proches de 308 K. Cela est dû à la dynamique des réactions de carbonatation qui se produisent à différentes températures. À des températures inférieures, les réactions de formation de carbonates sont favorisées, tandis qu'à des températures plus élevées, les réactions inverses deviennent plus thermodynamiquement favorables, ce qui ralentit l'adsorption.

De plus, la pression joue également un rôle déterminant dans l'efficacité de l'adsorption du CO2. Des pressions plus élevées, allant de 2 à 8 bars, augmentent généralement la capacité d'adsorption des matériaux étudiés, avec une pression optimale souvent autour de 8 bars. Cependant, des pressions plus élevées n'apportent pas toujours des améliorations significatives, comme le montrent certains graphiques de recherche. Ce phénomène peut être expliqué par la relation complexe entre la pression et la quantité de CO2 absorbée par les adsorbants, en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques.

En parallèle, la technologie de capture directe de l'air (DAC), bien qu'elle soit encore en développement, offre des perspectives intéressantes pour réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère et transformer ce gaz en ressources utiles. Le DAC repose sur l'utilisation d'adsorbants solides, souvent à base d'amines organiques, placées sur des supports comme la cellulose ou les réseaux polymères. Ces adsorbants, bien que très efficaces pour capturer le CO2, nécessitent des températures élevées pour fonctionner efficacement, ce qui peut poser des défis techniques et économiques. Néanmoins, cette technologie présente l'avantage de ne pas dépendre d'une source de CO2 préexistant, mais peut capter directement le CO2 dans l'atmosphère, un atout majeur dans la lutte contre le réchauffement climatique.

Ce domaine d'étude est particulièrement important car il offre des solutions alternatives aux méthodes classiques de capture du CO2, tout en permettant une meilleure intégration dans des processus industriels où le CO2 est non seulement un polluant à éliminer, mais aussi un sous-produit qui peut être valorisé. Par exemple, la conversion du CO2 capturé en carburants ou en alcool est une voie prometteuse pour l'industrie énergétique.

Les travaux en cours sur le DAC et l'adsorption ouvrent la voie à une nouvelle génération de technologies plus efficaces, moins coûteuses et plus flexibles. Toutefois, il reste essentiel de perfectionner les matériaux adsorbants, notamment pour les rendre plus stables physiquement et chimiquement, tout en améliorant leur capacité d'adsorption à des températures et pressions optimisées.