Capture des gaz à effet de serre : le potentiel des MOF (metal-organic frameworks)

Séparer le dioxyde de carbone et le méthane de l'azote sans surcoût énergétique est un défi technologique en raison de la similarité de leurs propriétés physico-chimiques. L'Institut de physique de Rennes a contribué à une étude montrant que les nanopores de MOFs pilotés par contrainte mécanique sont capables de séparer ces gaz par adsorption. La régénération du matériau intervient ensuite par simple relâchement de la contrainte. Publication et mise en avant par la revue Nature Communications (5 mars 2020).

Émission de gaz à effet de serre par une usine chinoise - Photo © UN CECAR/Mohri
  1. La coûteuse séparation de gaz aux propriétés physiques et chimiques similaires
  2. Le potentiel des MOFs
  3. Référence

La coûteuse séparation de gaz aux propriétés physiques et chimiques similaires

Dans l'atmosphère terrestre, on retrouve majoritairement du diazote N2, mais également du dioxyde de carbone CO2et du méthane CH4.  La contribution excessive de ces deux derniers gaz à l'atmosphère terrestre est pour une grande part à l'origine de l'effet de serre et du réchauffement climatique que nous connaissons. La capture de la partie excédentaire de ces gaz est l'une des solutions étudiées. Or, cette extraction du CO2 et du CH4 suppose de les séparer du diazote N2, très majoritaire dans l'air que nous respirons.

Mais séparer ces gaz, qui ont des propriétés physiques et chimiques similaires, peut être très exigeant en termes d'énergie consommée. Or la production de cette énergie provoque elle-même, à un stade ou à un autre, l'émission de gaz à effet de serre. Pour résoudre cette équation, les technologies basées sur l'adsorption peuvent fournir des alternatives intéressantes : elles permettent de réduire l'empreinte énergétique du processus d'extraction.

La plupart des travaux menés aujourd'hui se concentre sur des matériaux capables de réaliser un type de séparation précis, alors que le scénario idéal consisterait à obtenir un matériau unique pour l’ensemble des séparations.

Le potentiel des MOFs

Les MOFs (Metal-organic framewoks) sont des matériaux poreux aux propriétés physico-chimiques versatiles. En particulier, la taille et la forme de leurs pores peuvent être contrôlés à l'échelle nanométrique par le biais de stimuli externes.

Modification réversible des propriétés d'adsorption de MOFs (metal-organic frameworks) par contrainte mécanique - © N. Chanut et al.

Dans une étude combinant simulation moléculaire et expérience, des scientifiques rattachés à des laboratoires français, américain et polonais sont parvenus à contrôler de manière mécanique l'ouverture des pores de MOFs avec une précision nanométrique. Le matériau est alors devenu capable de séparer les gaz CO2/N2 et CO2/CH4.

Par ailleurs, les auteurs ont montré que cette approche permet une régénération du matériau à coût presque nul, simplement en relâchant la contrainte mécanique.

Cette stratégie combinant stimuli externes et adsorbants flexibles offre une voie intéressante pour la séparation et la capture de gaz à effet de serre.

Référence

Tailoring the separation properties of flexible metal-organic frameworks using mechanical pressure
Nicolas Chanut, Aziz Ghoufi, Marie-Vanessa Coulet, Sandrine Bourrelly, Bodgan Kuchta, Guillaume Maurin & Philip L. Llewellyn
Nature Communications volume 11, Article number: 1216 (5 mars 2020) | doi: 10.1038/s41467-020-15036-y

Aziz Ghoufi, maître de conférences à l'Université de Rennes 1 et à l'Institut de physique de Rennes a contribué aux simulations réalisées à l'échelle moléculaire pour cette étude.
Ce travail se poursuit dans le cadre du projet ANR MEACOPA, qui porte sur le contrôle mécanique de la porosité pour une modulation à souhait des propriétés de captage et de séparation moléculaire.