Capter les gaz à effet de serre à l'aide de la lumière

Si nous voulons ralentir le réchauffement de la planète, nous devons réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre. Nous devons notamment nous passer des combustibles fossiles et utiliser des technologies plus efficaces sur le plan énergétique. Toutefois, la réduction des émissions ne suffira pas à elle seule à atteindre les objectifs climatiques. Nous devons également capturer de grandes quantités de CO₂, un gaz à effet de serre, dans l'atmosphère et soit le stocker de manière permanente dans le sous-sol, soit l'utiliser comme matière première neutre en carbone dans l'industrie. Malheureusement, les technologies de capture du carbone disponibles aujourd'hui nécessitent beaucoup d'énergie et sont donc coûteuses.

C'est pourquoi un groupe de recherche de l'ETH Zurich développe une nouvelle méthode qui utilise la lumière. Grâce à ce procédé, l'énergie nécessaire à la capture du carbone proviendra à l'avenir du soleil.

Interrupteur à acide commandé par la lumière

Sous la direction de Maria Lukatskaya, professeure de systèmes énergétiques électrochimiques, les scientifiques exploitent le fait que dans les liquides aqueux acides, le CO₂ est présent sous forme de CO₂, mais que dans les liquides aqueux alcalins, il réagit pour former des sels d'acide carbonique, connus sous le nom de carbonates. Cette réaction chimique est réversible. L'acidité d'un liquide détermine donc s'il contient du CO₂ ou un carbonate.

Pour influencer l'acidité de leur liquide, les scientifiques y ont ajouté des molécules, appelées photoacides, qui réagissent à la lumière. Si ce liquide est ensuite irradié par la lumière, les molécules le rendent acide. Dans l'obscurité, elles reviennent à leur état d'origine, ce qui rend le liquide plus alcalin.

Voici comment fonctionne en détail la méthode des chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich : Les scientifiques séparent le CO₂ de l'air en faisant passer l'air dans un liquide contenant des photoacides dans l'obscurité. Ce liquide étant alcalin, le CO₂ réagit et forme des carbonates. Dès que les sels se sont accumulés de manière significative dans le liquide, les scientifiques irradient le liquide avec de la lumière. Celui-ci devient acide et les carbonates se transforment en CO₂, qui s'échappe du liquide en bulles, comme dans une bouteille de cola, et peut être récupéré dans des réservoirs de gaz. Lorsqu'il ne reste presque plus de CO₂ dans le liquide, les chercheurs et chercheuses éteignent la lumière et le cycle recommence, le liquide étant prêt à capturer du CO₂.

Tout dépend du mélange

En pratique, toutefois, un problème se posait : les photoacides utilisés sont instables dans l'eau. «Au cours de nos premières expériences, nous nous sommes rendu compte que les molécules se décomposaient au bout d'un jour», explique Anna de Vries, doctorante dans le groupe de Maria Lukatskaya et autrice principale de l'étude.

Maria Lukatskaya, Anna de Vries et leurs collègues ont donc analysé la décomposition de la molécule. Elles et ils ont résolu le problème en effectuant leur réaction non pas dans l'eau, mais dans un mélange d'eau et de solvant organique. Les scientifiques ont pu déterminer le rapport optimal entre les deux liquides par des expériences en laboratoire et ont pu expliquer leurs résultats grâce à des calculs modélisés effectués par des chercheurs et chercheuses de l'Université de la Sorbonne à Paris.

D'une part, ce mélange a permis de maintenir les molécules de photoacides stables dans la solution pendant près d'un mois. D'autre part, il a permis de s'assurer que la lumière pouvait être utilisée pour faire passer la solution, selon les besoins, d'un état acide à un état alcalin. Si les scientifiques utilisaient le solvant organique sans eau, la réaction serait irréversible.

Se passer de chauffage

D'autres procédés de capture du carbone sont également cycliques. Une méthode établie utilise des filtres qui recueillent les molécules de CO₂ à la température ambiante. Pour retirer ensuite le CO₂ des filtres, ceux-ci doivent être chauffés à environ 100 degrés Celsius. Or, le chauffage et le refroidissement sont gourmands en énergie : ils représentent la majeure partie de l'énergie nécessaire à la méthode du filtre. «En revanche, notre procédé ne nécessite ni chauffage ni refroidissement, et donc beaucoup moins d'énergie», explique Maria Lukatskaya. De plus, la nouvelle méthode des chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich pourrait fonctionner avec la seule lumière du soleil.

«Un autre aspect intéressant de notre système est que nous pouvons passer d'un état alcalin à un état acide en quelques secondes et revenir à un état alcalin en quelques minutes. Cela nous permet de passer de la capture du carbone à sa libération beaucoup plus rapidement que dans un système piloté par la température», explique Anna de Vries.

Avec cette étude, les scientifiques ont montré que les photoacides peuvent être utilisés en laboratoire pour capturer le CO₂. Leur prochaine étape sur la voie de la maturité commerciale consistera à accroître encore la stabilité des molécules photoacides. Elles et ils doivent également étudier les paramètres de l'ensemble du processus afin de l'optimiser davantage.