Les matériaux poreux améliorent le stockage du méthane au-delà des méthodes classiques

Imaginez un avenir où les véhicules ne dépendent plus de l'essence polluante, mais sont alimentés par du gaz naturel propre et efficace. Ce changement pourrait réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre et améliorer la qualité de l'air. Le principal composant du gaz naturel, le méthane, est abondant et produit moins de dioxyde de carbone lorsqu'il est brûlé par rapport à d'autres combustibles fossiles. Cependant, le stockage et le transport du méthane présentent des défis importants. Il résiste à la liquéfaction à température ambiante, et le stockage à haute pression entraîne des coûts substantiels. Pourrait-il exister une solution plus économique et plus pratique pour le stockage du méthane ?

La réponse semble être oui. Les scientifiques explorent activement l'utilisation de matériaux poreux pour adsorber et stocker le méthane, une solution qui s'avère très prometteuse. Cet article examine les défis du stockage du méthane et comment les matériaux poreux pourraient ouvrir la voie à un avenir énergétique plus propre.

L'essence, le carburant dominant dans les transports aujourd'hui, génère des polluants importants lors de la combustion et de l'évaporation, notamment des oxydes d'azote, des oxydes de soufre, du monoxyde de carbone et des traces de produits chimiques cancérigènes. Ces polluants menacent non seulement la santé humaine, mais aggravent également la dégradation de l'environnement. Par conséquent, la recherche de sources d'énergie alternatives propres et efficaces est devenue urgente. Le gaz naturel, en particulier le méthane, apparaît comme un substitut idéal en raison de ses vastes réserves, de son faible coût et des émissions de dioxyde de carbone relativement faibles lorsqu'il est brûlé.

Pourtant, l'utilisation du méthane n'est pas une tâche simple. Avec une température critique extrêmement basse (191 K) et une pression critique élevée (46,6 bar), le méthane résiste à la liquéfaction à température ambiante, ce qui augmente considérablement les coûts de transport. Ainsi, trouver des méthodes de stockage économiques et efficaces devient crucial pour une adoption généralisée du gaz naturel.

Pour surmonter les défis du stockage du méthane, les chercheurs ont développé de multiples approches, avec trois méthodes principales qui se démarquent :

• Gaz naturel liquéfié (GNL) : Le méthane est refroidi à des températures extrêmement basses (environ 112 K) pour le stockage. Bien que cette méthode réduise considérablement le volume, elle nécessite des systèmes de refroidissement cryogéniques complexes et entraîne des coûts élevés.
• Gaz naturel comprimé (GNC) : Le méthane est stocké sous haute pression (environ 200 bar). Cette approche est relativement simple, mais nécessite des conteneurs haute pression et des compresseurs multi-étages, ce qui augmente les coûts d'équipement et les risques pour la sécurité.
• Gaz naturel adsorbé (GNA) : Des matériaux poreux tels que les charpentes organométalliques (MOF) et les charpentes organiques covalentes (COF) sont utilisés pour adsorber le méthane pour le stockage. Cette méthode fonctionne à des pressions plus basses (1 à 300 bar) et à des températures (7 à 298 K) sans nécessiter d'apport d'énergie supplémentaire, ce qui en fait une solution très prometteuse.

Comparé au GNC, qui nécessite des compresseurs multi-étages coûteux et des réservoirs haute pression lourds, et au GNL, qui dépend de systèmes cryogéniques complexes, le stockage GNA utilisant des matériaux poreux semble être la solution la plus viable à court terme. Il fonctionne dans des conditions de pression et de température raisonnables sans exigences énergétiques supplémentaires, offrant une plus grande faisabilité économique.

Les charpentes organométalliques (MOF) sont des matériaux poreux cristallins composés d'ions métalliques et de liaisons organiques qui forment des structures de réseau périodiques. Ces matériaux possèdent des surfaces ultra-élevées, des tailles et des structures de pores réglables et une fonctionnalisation facile, ce qui les rend très polyvalents pour les applications de stockage, de séparation et de catalyse des gaz.

L'interaction entre les MOF et le méthane est modérée, ce qui permet le stockage du méthane à température ambiante et à des pressions relativement élevées. Cela signifie qu'un stockage efficace du méthane peut être obtenu dans des conditions proches de l'ambiance, ce qui réduit la consommation d'énergie et les coûts d'équipement.

En 2015, Eddaoudi et ses collègues ont rapporté un matériau MOF appelé Alsoc-MOF-1 pour le stockage du méthane. À 298 K et 65 bar, il a démontré une capacité d'adsorption totale de méthane de 0,42 g/g et une capacité de travail (5-65 bar) de 0,37 g/g, ce qui indique de fortes performances de stockage du méthane.

Généralement, le développement de MOF avec des tailles de pores appropriées et l'incorporation de groupes fonctionnels ou de sites peuvent améliorer leur capacité volumétrique de méthane. De plus, les MOF avec des volumes de pores et des surfaces plus importants ont tendance à présenter des capacités gravimétriques de méthane plus élevées. Cela suggère qu'en concevant et en synthétisant soigneusement des MOF avec des structures et des fonctionnalités spécifiques, leurs capacités de stockage du méthane peuvent être encore améliorées.

Les charpentes organiques covalentes (COF) sont des matériaux poreux cristallins construits à partir d'éléments légers (tels que B, C, O, H et Si) reliés par de fortes liaisons covalentes. Comme les MOF, les COF présentent des surfaces élevées, de grands volumes de pores et des structures de pores réglables. De manière cruciale, les COF possèdent des densités extrêmement faibles, se classant parmi les matériaux cristallins les moins denses connus (aussi bas que 0,17 g/cm³). Cela donne aux COF un avantage unique dans le stockage des gaz, en particulier dans les applications où les matériaux légers sont essentiels.

Généralement, les COF tridimensionnels (3D) surpassent les COF bidimensionnels (2D) en termes d'adsorption de méthane en raison de leurs structures de pores plus complexes et de leurs volumes de pores plus importants, qui fournissent plus de sites d'adsorption de méthane.

Par exemple, le COF-102 3D a un volume de pores de 1,55 cm³/g, tandis que le COF-103 a 1,54 cm³/g. Dans des conditions de 35 bar et 298 K, ils présentent des capacités d'adsorption de méthane à haute pression de 187 mg/g (18,7 % en poids) et 175 mg/g (17,5 % en poids) respectivement, les plus élevées parmi les COF. En revanche, le COF-5 2D, avec un volume de pores de 1,07 cm³/g, montre une capacité d'adsorption de méthane de 89 mg/g (8,9 % en poids) dans les mêmes conditions, la plus élevée parmi les COF 2D.

Ces résultats mettent en évidence le potentiel important des COF pour le stockage du méthane, en particulier dans des conditions de haute pression. En concevant et en synthétisant des COF avec des structures de pores et des fonctionnalités spécifiques, leurs capacités de stockage du méthane peuvent être encore améliorées pour des applications pratiques.

• Améliorer la capacité d'adsorption : Bien que les MOF et les COF existants démontrent une adsorption de méthane notable, il existe une marge d'amélioration considérable. Les recherches futures devraient se concentrer sur la conception de matériaux avec des surfaces plus élevées, des volumes de pores plus importants et une plus forte affinité pour le méthane.
• Améliorer la stabilité : Certains MOF et COF sont sujets à la décomposition dans des environnements humides ou acides, ce qui limite leurs applications pratiques. Il est essentiel de développer des matériaux avec une plus grande stabilité chimique et thermique.
• Réduire les coûts : Les coûts de synthèse actuels des MOF et des COF restent relativement élevés, ce qui entrave leur adoption à grande échelle. Des méthodes de synthèse plus économiques et plus efficaces doivent être explorées.

Malgré ces défis, les progrès continus de la science et de la technologie suggèrent que les MOF et les COF joueront un rôle de plus en plus vital dans le stockage du méthane. Ils pourraient devenir des composants clés des futurs systèmes d'énergie propre, contribuant au développement durable.

Le méthane est une source d'énergie alternative propre et efficace avec un vaste potentiel. Cependant, des défis de stockage et de transport persistent. L'utilisation de matériaux poreux comme les MOF et les COF pour adsorber le méthane présente une solution très prometteuse. Grâce à la recherche et au développement en cours, les obstacles existants peuvent être surmontés, permettant un stockage et une utilisation efficaces du méthane, une étape cruciale vers un avenir énergétique plus propre et plus durable.