La solution solaire : exploiter la lumière du soleil pour lutter contre le réchauffement climatique

Patrick Lesggie

Dans le nouveau processus, l’air est canalisé à travers un liquide pour capturer le CO2. Si le liquide est irradié avec de la lumière, le gaz à effet de serre est libéré et peut être collecté. Crédit: ETH Zurich

Pour atténuer le réchauffement climatique, des réductions significatives des émissions de gaz à effet de serre sont essentielles. Cela inclut l’abandon des combustibles fossiles et l’adoption de technologies économes en énergie.

Cependant, simplement réduire les émissions est insuffisant pour atteindre les objectifs climatiques. Il est également essentiel de retirer des quantités importantes de CO2 de l’atmosphère, de le stocker sous terre ou de l’utiliser dans l’industrie en tant que matériau neutre en carbone. Les technologies actuelles de capture du carbone, bien qu’efficaces, sont énergivores et coûteuses.

C’est pourquoi les chercheurs de l’ETH Zurich développent une nouvelle méthode qui utilise la lumière. Avec ce processus, à l’avenir, l’énergie requise pour la capture de carbone proviendra du soleil.

Bascule acide contrôlée par la lumière

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

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

Voici comment fonctionne en détail la méthode des chercheurs de l’ETH: les chercheurs séparent le CO2 de l’air en faisant passer l’air à travers un liquide contenant des photoacides dans l’obscurité. Comme ce liquide est alcalin, le CO2 réagit et forme des carbonates. Dès que les sels dans le liquide se sont accumulés de manière significative, les chercheurs irradiéent le liquide avec de la lumière. Cela le rend acide, et les carbonates se transforment en CO2. Le CO2 remonte à la surface du liquide, un peu comme dans une bouteille de cola, et peut être collecté dans des réservoirs de gaz. Lorsqu’il reste à peine du CO2 dans le liquide, les chercheurs éteignent la lumière et le cycle recommence, avec le liquide prêt à capturer du CO2.

Tout dépend du mélange

Dans la pratique, cependant, il y avait un problème: les photoacides utilisés sont instables dans l’eau. «Au cours de nos premières expériences, nous avons réalisé que les molécules se décomposeraient après un jour», explique Anna de Vries, doctorante dans le groupe de Lukatskaya et principale auteure de l’étude.

Ainsi, Lukatskaya, de Vries et leurs collègues ont analysé la décomposition de la molécule. Ils ont résolu le problème en effectuant leur réaction non pas dans l’eau mais dans un mélange d’eau et un solvant organique. Les scientifiques ont pu déterminer le rapport optimal des deux liquides par des expériences en laboratoire et ont pu expliquer leurs résultats grâce à des calculs de modèles effectués par des chercheurs de l’Université de la Sorbonne à Paris.

D’une part, ce mélange leur a permis de garder les molécules de photoacides stables dans la solution pendant près d’un mois. D’autre part, cela a permis d’utiliser la lumière pour basculer la solution aller-retour comme nécessaire entre une solution acide et une solution alcaline. Si les chercheurs utilisaient seulement le solvant organique sans eau, la réaction serait irréversible.

Se passer de chauffage

D’autres processus de capture de carbone sont également cycliques. Une méthode établie fonctionne avec des filtres qui capturent les molécules de CO2 à température ambiante. Pour retirer ensuite le CO2 des filtres, ceux-ci doivent être chauffés à environ 100 degrés Celsius. Cependant, le chauffage et le refroidissement sont énergivores: ils représentent la plus grande partie de l’énergie requise par la méthode du filtre. «En revanche, notre processus ne nécessite ni chauffage ni refroidissement, il nécessite donc beaucoup moins d’énergie», explique Lukatskaya. De plus, la nouvelle méthode des chercheurs de l’ETH fonctionne potentiellement uniquement avec la lumière du soleil.

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

Avec cette étude, les chercheurs ont montré que les photoacides peuvent être utilisés en laboratoire pour capturer le CO2. Leur prochaine étape sur la voie de la maturité du marché consistera à accroître davantage la stabilité des molécules de photoacides. Ils doivent également étudier les paramètres de l’ensemble du processus pour l’optimiser davantage.

Référence: “Solvation-Tuned Photoacid as a Stable Light-Driven pH Switch for CO2 Capture and Release” par Anna de Vries, Kateryna Goloviznina, Manuel Reiter, Mathieu Salanne et Maria R. Lukatskaya, 20 décembre 2023, Chemistry of Materials.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02435