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Jul 21, 2023

Etude expérimentale et théorique de l'effet de différentes fonctionnalités de composites oxyde de graphène/polymère sur le captage sélectif du CO2

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 15992 (2022) Citer cet article Il existe un besoin constant de technologies polyvalentes pour réduire la concentration en augmentation constante de CO2 dans le

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15992 (2022) Citer cet article

Il existe un besoin constant de technologies polyvalentes pour réduire la concentration en constante augmentation de CO2 dans l'atmosphère, capables de fournir des solutions efficaces dans différentes conditions (température, pression) et composition des gaz de combustion. Dans ce travail, une combinaison d'oxyde de graphène (GO) et de particules de polymères aqueux fonctionnalisés a été étudiée, en tant que candidats polyvalents et prometteurs pour les applications de capture du CO2, dans le but de développer une technologie de capture du CO2 facilement évolutive, peu coûteuse et respectueuse de l'environnement. Il existe d'énormes possibilités de différents monomères fonctionnels qui peuvent être sélectionnés pour fonctionnaliser les particules de polymère et conférer une philicité CO2 aux nanostructures composites. La théorie fonctionnelle de la densité (DFT) a été utilisée pour mieux comprendre les interactions de ces matériaux composites complexes avec les molécules de CO2 et de N2, et pour jeter les bases d'un criblage efficace des monomères fonctionnels. L'estimation de l'énergie de liaison entre le CO2 et un ensemble de composites GO/polymère, comprenant des copolymères de méthacrylate de méthyle, d'acrylate de n-butyle et différents monomères fonctionnels, montre qu'elle dépend fortement des fonctionnalités du polymère. Dans certains cas, on constate un manque d’effet coopératif du GO. Cela s’explique par une liaison remarquablement forte entre le GO et le polymère, qui induit des interactions CO2-polymère moins efficaces. Par rapport aux résultats expérimentaux, dans les cas où les structures nanocomposites présentaient des propriétés texturales similaires, les mêmes tendances de capture sélective du CO2 sur le N2 ont été obtenues. Outre de nouveaux matériaux fonctionnels pour le captage du CO2 et une compréhension plus approfondie des interactions entre les molécules de CO2 avec divers matériaux, cette étude démontre en outre que les calculs DFT peuvent constituer une voie plus courte vers la sélection efficace de la meilleure fonctionnalisation des matériaux composites pour le captage sélectif du CO2.

L’augmentation significative et continue de la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère est devenue aujourd’hui l’un des problèmes les plus fondamentaux et les plus persistants, car les réserves de combustibles fossiles sont encore abordables et les pays en développement sont en train de croître économiquement. Parmi les différents gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone (CO2) est un acteur clé du scénario de réchauffement climatique1. Même si la capacité mondiale de captage du CO2 a atteint 40 millions de tonnes d’ici 2020, il faudra capter des gigatonnes de CO2 par an pour avoir un impact significatif sur le changement climatique2. Étant donné que les technologies énergétiques vertes sont loin d’être en mesure de remplacer les sources d’énergie fossiles, la réduction des émissions de CO2 et, par conséquent, la réduction du réchauffement climatique, constitue aujourd’hui l’un des problèmes environnementaux les plus difficiles. Par conséquent, le développement de technologies de capture du carbone efficaces, sélectives et peu coûteuses est crucial2. Des stratégies telles que l’adsorption chimique/physique3, la conversion enzymatique4 et la séparation membranaire5 sont apparues comme des solutions potentielles.

Divers adsorbants ont été proposés pour le captage du CO26,7,8, à savoir les polymères poreux, les résines échangeuses d'ions, les structures covalentes et organométalliques, les zéolites, les matériaux à base de silice et d'alumine, les oxydes métalliques, etc. ils souffrent de faibles capacités d'adsorption (ou un temps long est nécessaire pour la saturation), d'un manque de bonne stabilité chimique/thermique et/ou de sélectivité par rapport à d'autres gaz, ou encore ils ont une activité réduite en présence d'humidité, comme les adsorbants à base de zéolithe9 , dix.

Les adsorbants à base de carbone apparaissent comme une alternative prometteuse pour surmonter la plupart des inconvénients mentionnés, en raison de l'une des capacités d'adsorption les plus élevées et des besoins énergétiques relativement faibles pour la régénération6,7,8. De plus, des caractéristiques telles qu'une grande surface spécifique, une stabilité dans les opérations de cycle, une structure poreuse qui peut être facilement fonctionnalisée et une cinétique d'adsorption rapide en font l'un des adsorbants les plus prometteurs. Parmi ces matériaux, en raison de coûts de production inférieurs, le graphène et ses dérivés ont été envisagés pour un usage commercial11. Visant à améliorer encore la capacité d'adsorption et la capacité de séparation, la fonctionnalisation de la surface du graphène avec des hétéroatomes (N, S, O, etc.) a été largement étudiée, ainsi que la production de composites avec des polymères tels que le polypyrrole12, la polyaniline13, le polyindole14, le polythiophène15. , mono-, di- et triéthylène-triamine16, tétraéthylènepentamine17, poly(chlorure de diallyldiméthylammonium)/polystyrène sulfonate18, poly(diméthylsiloxane)19, polyéther bloc amide20, polyéthylène-imine21, ainsi qu'avec des structures métallo-organiques22.