Contrairement au nettoyage traditionnel des amines liquides, les sorbants solides offrent des pénalités énergétiques plus faibles pour la régénération, une plus grande stabilité en exploitation cyclique et la capacité d'être adapté au niveau moléculaire.Ces développements accélèrent le déploiement de la capture du carbone dans la production d'électricité, la production de ciment, la fabrication d'acier, et même la capture directe d'air.La capacité de capturer le dioxyde de carbone de façon efficace et rentable n'est plus un objectif lointain – il devient une réalité d'ingénierie.

Les sorbants solides jouent un rôle central parce qu'ils peuvent être conçus pour capter le CO2 à partir de sources ponctuelles (p. ex. gaz de combustion) et de l'atmosphère ambiante. Leur réutilisabilité, leur robustesse mécanique et leur corrosivité moindre par rapport aux solvants liquides les rendent attrayants pour le déploiement industriel. Cet article examine les classes fondamentales de matériaux sorbants solides, les dernières percées dans chaque catégorie, les défis persistants et les implications considérables pour l'action climatique.

Comprendre les matériaux solides sorbants

Les sorbants solides sont des matériaux poreux qui adsorbent physiquement ou chimiquement les molécules de CO2 sur leur surface ou dans leurs pores. Le processus d'adsorption repose soit sur la physisorption (faible force de van der Waals) soit sur la chimisorption (souvent plus forte liaison chimique avec des groupes d'amines).Les principaux avantages sur les solvants liquides sont la réduction de la capacité thermique, la réduction de l'énergie pour la régénération (puisque seul le sorbant est chauffé, et non le solvant en vrac), et la capacité à fonctionner dans des configurations de lits emballés ou fluidisés sans problèmes de retransfert ou de dégradation des solvants.

Les catégories les plus importantes de sorbants solides sont aujourd'hui les cadres métal-organiques (MOF), les zéolites, la silice et les polymères aminés, ainsi que les polymères organiques poreux émergents (POP) et les matériaux à base de carbone. Chaque catégorie offre des compromis distincts entre la capacité, la sélectivité, la stabilité et les coûts.

Cadres métalliques-organiques (CMO)

Les MOF sont des matériaux poreux cristallins composés d'ions métalliques ou de grappes reliées par des ligands organiques. Leurs surfaces ultra-hautes (jusqu'à 7000 m2/g) et leurs pores thoneux permettent un contrôle précis des interactions entre hôtes invités. Pour la capture du carbone, les MOF avec des sites métalliques ouverts, tels que Mg-MOF-74, présentent des absorptions élevées de CO2 à basse pression partielle, ce qui en fait des candidats exceptionnels pour les conditions de gaz de combustion.

Zéolites

Les zéolites sont des minéraux naturels ou synthétiques aluminesilicates avec des micropores bien définies. Elles ont été utilisées industriellement pendant des décennies en adsorption et en catalyse. Pour la capture du CO2, les zéolites comme 13X et NaY offrent une grande sélectivité sur l'azote et le méthane, mais leurs performances diminuent fortement dans les cours d'eau humides. De nouvelles structures hybrides de zéolite ont été développées, intégrant des cations extra-cadres (par exemple, calcium ou lithium) pour améliorer l'affinité en CO2.

Sorbitants à fonction aminée

Les sorbants solides fonctionnels aux amines combinent la spécificité chimique des groupes amines (qui réagissent chimiquement avec le CO2 pour former des carbamates) avec la surface élevée et l'intégrité mécanique d'un support solide. Les supports communs comprennent la silice mésoporeuse (SBA-15, MCM-41), les billes de polymères et la cellulose nanofibrilladée. La charge, le type d'amine (primaire, secondaire ou tertiaire) et la méthode de greffage influencent toutes les performances.

Percées récentes dans les matériaux solides sorbants

Au cours des cinq dernières années, l'innovation s'est accélérée dans toutes les classes de sorbants, et plusieurs percées se sont révélées être à l'origine de leur potentiel de transfert du captage du carbone des usines pilotes vers le déploiement à l'échelle commerciale.

Percée #1 : Haute capacité, FO à eau stable

L'un des développements les plus importants a été la conception de moteurs à combustion interne qui maintiennent une absorption élevée de CO2, même en présence de vapeur d'eau. Le composé MOF-808, un cadre à base de zirconium, a démontré une capacité d'adsorption de CO2 de 1,3 mmol/g à 0,15 bar et 25 °C, avec une décroissance négligeable après 100 cycles d'humidité. Une équipe de l'Université de Manchester a conçu une variante avec des diamines annexées qui a atteint une capacité de basculement de 1,7 mmol/g dans des conditions de gaz de combustion réalistes (10 % de CO2, 75 % d'humidité relative).

Percée #2 : Sorbents d'Aminosilica entièrement régénérables

En 2023, des chercheurs de l'Université Notre Dame ont développé une nouvelle amine greffée avec des substituants volumineux qui entravent la formation d'urée. Leur matériau, baptisé PICA-1, a conservé plus de 95% de sa capacité initiale après 1000 cycles d'adsorption – régénération – une étape de stabilité qui la rend viable pendant 10 ans. L'énergie de régénération est d'environ 1,8 GJ par tonne de CO2 capturée, comparable à des solvants de pointe mais avec une empreinte de capital plus petite.

Breakthrough #3: Membranes de Matrix Mixte avec des remplissages sorbants

Bien que ce ne soit pas uniquement un sorbant, l'intégration des sorbants solides dans les matrices de polymères pour former des membranes de matrices mixtes (MMM) a créé une technologie de capture hybride qui élimine la nécessité de lits d'adsorption séparés.En dispersant les nanoparticules de MOF ou de zéolite dans un polymère sélectif, la membrane résultante peut à la fois adsorber et séparer le CO2 des mélanges gazeux.Une étude 2024 dans Nature Communications[ a rapporté un MMM contenant de l'UiO-66-NH2 qui a atteint une perméabilité sans précédent de 6000 barres avec une sélectivité CO2/N2 de 40. Cette combinaison pourrait permettre une capture continue à la température ambiante à base de membrane sans cycles de oscillation thermique des lits emballés.

Percée no 4 : Polymères organiques poreux (POP) pour le DAC

Les polymères organiques poreux sont une classe polyvalente de cadres entièrement organiques qui peuvent être fonctionnels avec des chimisorbants forts comme les amidines ou les guanidines. Un exemple notable est PP-NT-2, un polymère poreux avec une surface de 1300 m2/g et une capacité de CO2 de 3,4 mmol/g à basse pression (0,4 mbar) pertinente pour la capture directe d'air. Contrairement à de nombreux sorbants inorganiques, les POP sont intrinsèquement stables en présence d'oxygène et d'humidité.

Défis et orientations futures

Malgré les progrès impressionnants du laboratoire, plusieurs obstacles subsistent avant que les sorbants solides ne deviennent omniprésents dans le captage industriel du carbone. Les défis les plus pressants sont la réduction des coûts, la stabilité à long terme dans des conditions réelles, l'évolutivité de la synthèse et l'intégration efficace avec les systèmes de récupération de chaleur.

Coût et scalabilité

Les prix actuels des moteurs à moteur peuvent varier de 50 $ à 200 $ le kilogramme, tandis que les zéolites commerciales coûtent entre 2 $ et 5 $ le kilogramme. Pour la capture à grande échelle (en millions de tonnes de CO2 par installation), le coût des moteurs à moteur doit descendre en dessous de 10 $ le kilogramme. La recherche sur les voies évolutives, comme la synthèse en phase aqueuse ou les réacteurs à flux continu, est prometteuse mais non encore commercialisée.

Stabilité et dégradation cycliques

Même les meilleurs sorbants perdent leur capacité par suite de cycles répétés de régénération de l'adsorption. La dégradation peut résulter de l'hydrolyse des liaisons métal-ligand dans les moteurs de combustion, de l'oxydation des amines ou de l'effondrement des pores dans les zéolites sous le décapage à vapeur à haute température.

Intégration de la chaleur et énergie de régénération

Les sorbants solides chauffés à 100 – 150 °C ont besoin de vapeur ou d'eau chaude; la source de cette chaleur peut être la centrale elle-même (réduction de la puissance nette) ou les énergies renouvelables dédiées. Des stratégies de régénération innovantes, telles que la oscillation température-vacuum ou la désorption assistée par micro-ondes, pourraient réduire la demande d'énergie de 40 %.

Tolérance à l'humidité et à l'impureté

De nombreux sorbants qui fonctionnent bien en laboratoire avec des flux de CO2 purs perdent leur performance lorsqu'ils sont exposés à ces impuretés. Par exemple, Mg-MOF-74 subit un effondrement structurel après quelques cycles seulement dans les gaz de combustion humides. Les chercheurs s'attaquent à cela en créant des revêtements hydrophobes, en utilisant des nœuds métalliques plus stables (par exemple, le zirconium, le hafnium), ou en pré-traitement du gaz avec des filtres de polissage.

Impact potentiel des sorbants solides avancés

En réduisant la pénalité énergétique d'environ 1 à 2 GJ par tonne de CO2 (pour les amines) à moins de 0,8 GJ par tonne, les sorbants solides pourraient réduire le coût de capture d'une tonne de CO2 des cimenteries ou des aciéries à moins de 40 $, comparativement à la valeur de référence actuelle de 50 à 70 $. Pour la capture directe d'air, qui est intrinsèquement plus coûteuse, les sorbants solides pouvant fonctionner avec de la chaleur de déchets de faible qualité ou de l'électricité renouvelable offrent une voie à 100 $ par tonne, seuil largement cité pour la viabilité économique.

Au-delà des coûts, les sorbants solides permettent des systèmes de captage modulaires et évolutives qui peuvent être réaménagés dans des installations existantes. Parce qu'ils fonctionnent à une température proche de l'ambient et ne produisent pas d'aérosols corrosifs, ils peuvent être déployés sans modifications importantes de la configuration des installations.Des entreprises comme Climeworks, Global Thermostat et Carbon Engineering intègrent déjà des sorbants solides dans des installations commerciales DAC.

Si la technologie sorbante solide atteint son plein potentiel, elle pourrait permettre de capter plus de 5 gigatonnes de CO2 par an d'ici 2050, ce qui contribuerait de manière décisive à limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C. Cela nécessiterait non seulement l'innovation des matériaux, mais aussi des politiques de soutien, la tarification du carbone et des projets de démonstration à grande échelle.

Besoins en matière de politiques et d'investissements

Pour réaliser la promesse de solides sorbants, il faudra investir durablement dans les secteurs public et privé. Les gouvernements peuvent soutenir la recherche fondamentale sur les nouvelles architectures chimiques, ainsi que des essais pilotes dans des environnements industriels. La loi sur les infrastructures bipartites des États-Unis et le crédit d'impôt 45Q ont déjà catalysé plusieurs projets fondés sur des solides sorbants.

Les matériaux solides sorbants sont passés des curiosités de laboratoire aux concurrents viables pour le captage de carbone à grande échelle. Avec l'innovation continue en synthèse, stabilisation et intégration des systèmes, ils pourraient aider à inverser la tendance sur les émissions mondiales de CO2 et fournir un outil crucial pour un avenir net-zéro.