Un nouveau matériau carboné pourrait permettre de capter le CO2beaucoup moins cher en travaillant à basse température.
Capter le dioxyde de carbone (CO2) avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère est un moyen important de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, malgré des décennies de développement, ces technologies n’ont pas été largement adoptées. La raison principale est simple. La plupart des méthodes existantes sont coûteuses et inefficaces. Par exemple, le procédé de lavage aux amines aqueuses, largement utilisé, nécessite de chauffer de grands volumes de liquide à des températures supérieures à 100 °C pour libérer le CO capturé.2et réinitialisez le système. Cette forte demande énergétique augmente considérablement les coûts d’exploitation et limite une utilisation à grande échelle.
Adsorbants à base de carbone comme alternative à faible consommation d'énergie
Les matériaux en carbone solide sont apparus comme une option prometteuse. Ces matériaux sont abordables et ont une surface élevée, leur permettant de capter le CO2et libérez-le en utilisant moins de chaleur, en particulier lorsque des groupes fonctionnels contenant de l'azote sont présents. Malgré cela, il y a eu un défi majeur. Les méthodes de synthèse traditionnelles placent ces groupes d'azote de manière aléatoire dans le matériau, souvent sous des formes mixtes. Ce caractère aléatoire rend difficile la détermination de la disposition spécifique qui est responsable des meilleures performances.
Nouveaux matériaux de viciazite à structure d'azote contrôlée
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Yasuhiro Yamada de la Graduate School of Engineering et le professeur agrégé Tomonori Ohba de la Graduate School of Science de l'Université de Chiba, au Japon, a développé une nouvelle catégorie de matériaux carbonés appelés « viciazites ». Ces matériaux sont conçus de manière à ce que les groupes d'azote soient positionnés les uns à côté des autres de manière contrôlée et prévisible. L'étude, publiée dans la revue Carbon, a été co-écrite par M. Kota Kondo, également de l'Université de Chiba.
Synthèse sur mesure de configurations d'azote adjacentes
Les chercheurs ont produit trois types différents de viciazites, chacun présentant un arrangement d’azote adjacent distinct. Pour créer des groupes amine primaire adjacents (–NH2groupes), ils ont chauffé un composé appelé coronène, puis l’ont traité avec du brome et enfin l’ont exposé au gaz ammoniac. Cette approche en trois étapes a permis d'obtenir une sélectivité de 76 %, ce qui signifie que la plupart des atomes d'azote ont été placés dans les positions prévues.
L’équipe a également synthétisé deux matériaux supplémentaires en utilisant différents composés de départ. L’un contenait de l’azote pyrrolique adjacent avec une sélectivité de 82 %, tandis qu’un autre contenait de l’azote pyridinique adjacent avec une sélectivité de 60 %.
Confirmer la structure avec des techniques avancées
Les trois matériaux ont été appliqués sur des fibres de charbon actif pour créer des adsorbants utilisables. Les chercheurs ont ensuite utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la modélisation informatique pour vérifier que les groupes d'azote étaient positionnés côte à côte plutôt que distribués de manière aléatoire.
Différences de performances en CO2Capture et libération
Les tests ont révélé de nettes différences dans les performances des matériaux. Ceux avec –NH adjacent2Les groupes et l'azote pyrrolique adjacent ont montré une amélioration du CO2absorption par rapport aux fibres de carbone non traitées. En revanche, le matériau contenant de l’azote pyridinique adjacent a montré peu d’amélioration.
Le résultat le plus notable concerne la désorption, c'est-à-dire la libération du CO capturé2afin que le matériau puisse être réutilisé. « L'évaluation des performances a révélé que dans les matériaux carbonés où les groupes NH2 sont introduits de manière adjacente, la plupart du CO adsorbé2se désorbe à des températures inférieures à 60 °C. En combinant cette propriété avec la chaleur résiduelle industrielle, il pourrait être possible d'obtenir une réduction efficace du CO2des processus de capture avec des coûts d'exploitation considérablement réduits », souligne le Dr Yamada.
Le matériau contenant de l'azote pyrrolique nécessitait des températures plus élevées pour le CO2libération, mais il peut offrir une meilleure durabilité dans le temps en raison de sa plus grande stabilité chimique.
Vers des matériaux de capture du carbone de nouvelle génération
En démontrant que des arrangements d'azote adjacents peuvent être créés de manière fiable, cette recherche fournit un cadre clair pour la conception de matériaux améliorés de captage du carbone. "Notre motivation est de contribuer à la société future et d'utiliser nos matériaux carbonés récemment développés avec des structures contrôlées. Ce travail fournit des voies validées pour synthétiser des matériaux carbonés dopés à l'azote, offrant le contrôle au niveau moléculaire essentiel pour développer du CO de nouvelle génération, rentable et avancé.2technologies de capture », conclut le Dr Yamada.
L'équipe suggère également que les viciazites pourraient être utiles au-delà du CO2capture, y compris des applications telles que l'élimination des ions métalliques ou servant de catalyseurs, grâce à leurs propriétés de surface réglables avec précision.
Référence : « Viciazites : Matériaux carbonés avec fonctionnalités azotées adjacentes pour le CO avancé2capture » de Kota Kondo, Ayane Uchizono, Lizhi Pu, Itsuki Takahashi, Ryoshin Suzuki, Sota Nakamura, Kai Kan, Kazuma Gotoh, Tetsuro Soejima, Satoshi Sato, Tomonori Ohba et Yasuhiro Yamada, 27 février 2026,Carbone.
DOI: 10.1016/j.carbon.2026.121405
Ce travail a été soutenu par la Mukai Science and Technology Foundation, la Société japonaise pour la promotion de la science (numéro de subvention JSPS KAKENHI JP24K01251) et « l'infrastructure de recherche avancée pour les matériaux et la nanotechnologie au Japon (ARIM) » du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT) sous le numéro de subvention JPMXP1225JI0008.
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Un nouveau matériau carboné pourrait permettre de capter le CO2beaucoup moins cher en travaillant à basse température.
Capter le dioxyde de carbone (CO2) avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère est un moyen important de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, malgré des décennies de développement, ces technologies n’ont pas été largement adoptées. La raison principale est simple. La plupart des méthodes existantes sont coûteuses et inefficaces. Par exemple, le procédé de lavage aux amines aqueuses, largement utilisé, nécessite de chauffer de grands volumes de liquide à des températures supérieures à 100 °C pour libérer le CO capturé.2et réinitialisez le système. Cette forte demande énergétique augmente considérablement les coûts d’exploitation et limite une utilisation à grande échelle.
Adsorbants à base de carbone comme alternative à faible consommation d'énergie
Les matériaux en carbone solide sont apparus comme une option prometteuse. Ces matériaux sont abordables et ont une surface élevée, leur permettant de capter le CO2et libérez-le en utilisant moins de chaleur, en particulier lorsque des groupes fonctionnels contenant de l'azote sont présents. Malgré cela, il y a eu un défi majeur. Les méthodes de synthèse traditionnelles placent ces groupes d'azote de manière aléatoire dans le matériau, souvent sous des formes mixtes. Ce caractère aléatoire rend difficile la détermination de la disposition spécifique qui est responsable des meilleures performances.
Nouveaux matériaux de viciazite à structure d'azote contrôlée
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Yasuhiro Yamada de la Graduate School of Engineering et le professeur agrégé Tomonori Ohba de la Graduate School of Science de l'Université de Chiba, au Japon, a développé une nouvelle catégorie de matériaux carbonés appelés « viciazites ». Ces matériaux sont conçus de manière à ce que les groupes d'azote soient positionnés les uns à côté des autres de manière contrôlée et prévisible. L'étude, publiée dans la revue Carbon, a été co-écrite par M. Kota Kondo, également de l'Université de Chiba.
Synthèse sur mesure de configurations d'azote adjacentes
Les chercheurs ont produit trois types différents de viciazites, chacun présentant un arrangement d’azote adjacent distinct. Pour créer des groupes amine primaire adjacents (–NH2groupes), ils ont chauffé un composé appelé coronène, puis l’ont traité avec du brome et enfin l’ont exposé au gaz ammoniac. Cette approche en trois étapes a permis d'obtenir une sélectivité de 76 %, ce qui signifie que la plupart des atomes d'azote ont été placés dans les positions prévues.
L’équipe a également synthétisé deux matériaux supplémentaires en utilisant différents composés de départ. L’un contenait de l’azote pyrrolique adjacent avec une sélectivité de 82 %, tandis qu’un autre contenait de l’azote pyridinique adjacent avec une sélectivité de 60 %.
Confirmer la structure avec des techniques avancées
Les trois matériaux ont été appliqués sur des fibres de charbon actif pour créer des adsorbants utilisables. Les chercheurs ont ensuite utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la modélisation informatique pour vérifier que les groupes d'azote étaient positionnés côte à côte plutôt que distribués de manière aléatoire.
Différences de performances en CO2Capture et libération
Les tests ont révélé de nettes différences dans les performances des matériaux. Ceux avec –NH adjacent2Les groupes et l'azote pyrrolique adjacent ont montré une amélioration du CO2absorption par rapport aux fibres de carbone non traitées. En revanche, le matériau contenant de l’azote pyridinique adjacent a montré peu d’amélioration.
Le résultat le plus notable concerne la désorption, c'est-à-dire la libération du CO capturé2afin que le matériau puisse être réutilisé. « L'évaluation des performances a révélé que dans les matériaux carbonés où les groupes NH2 sont introduits de manière adjacente, la plupart du CO adsorbé2se désorbe à des températures inférieures à 60 °C. En combinant cette propriété avec la chaleur résiduelle industrielle, il pourrait être possible d'obtenir une réduction efficace du CO2des processus de capture avec des coûts d'exploitation considérablement réduits », souligne le Dr Yamada.
Le matériau contenant de l'azote pyrrolique nécessitait des températures plus élevées pour le CO2libération, mais il peut offrir une meilleure durabilité dans le temps en raison de sa plus grande stabilité chimique.
Vers des matériaux de capture du carbone de nouvelle génération
En démontrant que des arrangements d'azote adjacents peuvent être créés de manière fiable, cette recherche fournit un cadre clair pour la conception de matériaux améliorés de captage du carbone. "Notre motivation est de contribuer à la société future et d'utiliser nos matériaux carbonés récemment développés avec des structures contrôlées. Ce travail fournit des voies validées pour synthétiser des matériaux carbonés dopés à l'azote, offrant le contrôle au niveau moléculaire essentiel pour développer du CO de nouvelle génération, rentable et avancé.2technologies de capture », conclut le Dr Yamada.
L'équipe suggère également que les viciazites pourraient être utiles au-delà du CO2capture, y compris des applications telles que l'élimination des ions métalliques ou servant de catalyseurs, grâce à leurs propriétés de surface réglables avec précision.
Référence : « Viciazites : Matériaux carbonés avec fonctionnalités azotées adjacentes pour le CO avancé2capture » de Kota Kondo, Ayane Uchizono, Lizhi Pu, Itsuki Takahashi, Ryoshin Suzuki, Sota Nakamura, Kai Kan, Kazuma Gotoh, Tetsuro Soejima, Satoshi Sato, Tomonori Ohba et Yasuhiro Yamada, 27 février 2026,Carbone.
DOI: 10.1016/j.carbon.2026.121405
Ce travail a été soutenu par la Mukai Science and Technology Foundation, la Société japonaise pour la promotion de la science (numéro de subvention JSPS KAKENHI JP24K01251) et « l'infrastructure de recherche avancée pour les matériaux et la nanotechnologie au Japon (ARIM) » du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT) sous le numéro de subvention JPMXP1225JI0008.
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