En quoi a consisté votre participation à la plateforme Prisma ?
Le projet Prisma a été initié il y a plusieurs années par le professeur Berend Smit, de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse et comporte des équipes internationales (Zurich, Berkeley, Edimbourg). Ce projet consiste à intégrer dans des outils prédictifs (intelligence artificielle), dès le départ, l’ensemble des paramètres allant de la synthèse des MOFs, leurs performances en capture du CO2, les paramètres des procédés industriels et l’analyse de cycle de vie ; cela afin d’accélérer l’intégration dans un procédé industriel de ce type de matériaux. Il nous a proposé alors de rejoindre ce consortium en tant qu’experts en synthèse de MOFs. Notre rôle a consisté ici à valider la méthodologie mise en place par l’équipe, en utilisant des données expérimentales sur un nouveau MOF issu de notre laboratoire, et de confirmer expérimentalement les prédictions de la plateforme.
Quelles sont les particularités de ces MOFs ?
En simplifiant un peu, on peut dire que les MOFs sont l’intermédiaire entre les absorbants traditionnels tels que les charbons actifs, et les zéolithes. Les premiers sont organiques et hydrophobes, peu onéreux, mais possèdent, en général, une faible affinité pour le CO2. Les seconds, les zéolithes, sont des solides minéraux cristallisés et très hydrophiles qui ont une forte affinité pour le CO2. Cependant, en présence d’eau, celle-ci prend la place du CO2 dans les pores et il faut alors chauffer le matériau à haute température (>200 degrés) pour le régénérer, ce qui coûte cher en énergie. Les MOFs peuvent eux aussi capturer aisément le CO2, avec une composition et une taille des pores ajustées, et leurs parties organiques les rend moins hydrophiles. Ainsi, s’ils peuvent adsorber également de l'eau, une partie du CO2 réussit à rester dans les pores et la régénération des MOFs coûte bien moins cher en énergie puisqu’il faut seulement les chauffer entre 50 et 100 degrés.
Pourquoi ces MOFs suscitent-ils l’intérêt dans le captage du carbone ?
Les solides poreux sont une alternative aux solvants aux amines [la technologie la plus mature et déjà déployée à grande échelle]. Ces matériaux ont déjà par le passé été étudiés mais seulement à l’échelle du laboratoire. Il y a eu un net regain d'intérêt pour les MOFs ces dernières années. Récemment, en 2021, un article publié dans Science par une équipe canadienne décrit la synthèse d’un MOF à base de zinc, appelé CALF20, actuellement en cours de production à l’échelle de centaines de tonnes par l’industriel BASF pour le captage industriel de CO2 dans une cimenterie, ce qui en fait la première application industrielle d’un MOF pour le captage du CO2. Cet article a eu un effet déclencheur pour les industriels, en démontrant que ces matériaux pouvaient non seulement être performants en termes de capacité de capture du CO2, avec une régénération très rapide, mais également qu'il était possible de produire les MOFs à l’échelle industrielle avec la même qualité qu'à l'échelle du laboratoire. De plus, l’utilisation de ce MOF a été testée pour ce procédé de capture, en conditions réelles, pendant des milliers de cycles, sans perte significative de performance.
Avant cette étude, les MOFs avaient la réputation d'être certes très poreux et très versatiles en termes de composition et de structure avec de nombreuses promesses d’’applications, mais il restait de sérieux doutes sur leur stabilité en conditions industrielles et sur la possibilité de les produire à grande échelle à des coûts raisonnables. On a ainsi démontré, à l'échelle du captage du CO2 c'est-à-dire à des milliers de tonnes par an, que leur coût de fabrication était proche de celui de zéolithes synthétiques, c'est-à-dire entre 10 et 30 euros par kilo. Ceci, combiné à la grande stabilité du matériau en conditions réelles et aux performances de capture du CO2 remarquables, rend désormais crédible l’utilisation de ce type d’adsorbants pour le captage du CO2 dans les fumées d’usines.
Quels sont les avantages des MOFs sur les solvants aux amines ?
Tout d’abord les économies d’énergie puisque la régénération des amines nécessite de les chauffer à plus de 100 voire 120 degrés, contre 50 à 100 degrés pour les MOFs. Par ailleurs, les amines se dégradent par oxydation thermique dans l’air et leur impact environnemental est négatif. Au contraire, les MOFs sont stables dans l’air lors de l’étape de régénération par chauffage et leur impact environnemental est bien moindre ; par exemple, le CALF20 est synthétisé dans l’eau à température ambiante et est constitué à partir de zinc et d’acide oxalique qui sont très peu toxiques.
