Préparation et caractérisation de charbons activés peu coûteux chimiquement activés par H3PO4, ZnCl2 et KOH pour des applications d’adsorption de CO2

Transformer le bois de rebut en alliés climatiques

L’augmentation des concentrations de dioxyde de carbone (CO2) est l’un des principaux moteurs du réchauffement climatique, et une grande partie de ce gaz provient des centrales électriques et des usines qui brûlent des combustibles fossiles. Capturer le CO2 avant qu’il n’atteigne l’atmosphère est une voie prometteuse pour ralentir le changement climatique, mais les méthodes actuelles utilisent souvent des liquides coûteux ou corrosifs. Cette étude explore une idée plus simple : transformer le bois de fer persan à faible valeur, un arbre courant dans le nord de l’Iran, en matériaux très poreux de type charbon qui peuvent piéger le CO2 de façon efficace et peu coûteuse.

Du sous-produit forestier au charbon élaboré

Les chercheurs ont commencé avec du bois de Parrotia persica, qui pousse abondamment dans les forêts hyrcaniennes mais présente une faible valeur commerciale. Après l’avoir nettoyé et broyé, ils l’ont chauffé en absence d’oxygène pour le transformer en un solide riche en carbone, puis l’ont traité avec trois produits chimiques différents : un acide fort (acide phosphorique), un sel de zinc (chlorure de zinc) et une base forte (hydroxyde de potassium). Chaque produit chimique interagit différemment avec les polymères naturels du bois pendant le chauffage, creusant un réseau de pores minuscules et modulant la surface disponible pour que le gaz s’y adsorbe. En faisant varier la quantité de produit chimique utilisé et la température de chauffage, ils ont créé une série de charbons activés présentant des structures de pores distinctes.

Concevoir de petites cavités pour le CO2

Pourquoi les pores sont-ils importants ? L’adsorption de gaz sur des solides fonctionne parce que les molécules de gaz adhèrent aux surfaces par des forces électriques faibles. Plus la surface interne est grande et plus les cavités ont une taille appropriée, plus le matériau peut retenir de molécules. L’équipe a mesuré la taille des pores et la surface spécifique à l’aide d’azote et de microscopie. Le chlorure de zinc a produit la plus grande surface — environ 1 925 mètres carrés par gramme, comparable à étaler un court de tennis sur un cube de sucre. L’acide phosphorique, en revanche, a créé des charbons avec un volume de pore particulièrement élevé et un mélange de pores ultra-fins et légèrement plus larges, ainsi que de nombreux groupes de surface contenant de l’oxygène. Ces caractéristiques chimiques renforcent les interactions avec le CO2, qui est légèrement polarisé et attiré par des sites polaires ou basiques à la surface du carbone.

Quelle est l’efficacité de ces sorbants pour capter le CO2 ?

Les chercheurs ont testé la capacité d’adsorption du CO2 à des pressions allant jusqu’à 14 bars et à des températures proches de la température ambiante, des conditions semblables à celles des gaz d’échappement industriels. Tous les échantillons ont présenté une adsorption de CO2 plus importante à basse température, cohérente avec un processus physique de « collage » : lorsque les molécules de gaz chauffent, elles se déplacent plus vite et ont moins de chances de rester fixées. Parmi les matériaux, le charbon activé par l’acide phosphorique avec le ratio de traitement le plus élevé (étiqueté ACH3) a atteint la meilleure capacité de CO2 à 1 bar et 25 °C, devançant légèrement l’échantillon au chlorure de zinc malgré une surface spécifique légèrement inférieure. Cet avantage provenait de son plus grand volume de pores et d’une chimie de surface plus riche. L’analyse de la chaleur dégagée pendant l’adsorption a confirmé que le CO2 était retenu principalement par des forces physiques plutôt que par la formation de nouvelles liaisons chimiques, ce qui est important car cela signifie que le matériau peut être régénéré par un chauffage modéré et réutilisé plusieurs fois.

Séparer le CO2 des composants ordinaires de l’air

Capturer le CO2 dans les gaz de combustion ne dépend pas seulement de la quantité que le matériau peut contenir, mais aussi de sa préférence pour le CO2 par rapport à d’autres gaz comme l’azote (N2), qui constitue la majeure partie de l’air. En combinant des mesures du comportement de chaque gaz sur les charbons avec une théorie prédictive bien établie, l’équipe a estimé la sélectivité des matériaux pour adsorber le CO2 dans un mélange CO2/N2. Les charbons traités à l’acide phosphorique et au chlorure de zinc ont montré une forte sélectivité, privilégiant le CO2 par rapport au N2 d’un facteur d’environ 20 à la pression atmosphérique. L’échantillon à base d’hydroxyde de potassium était moins sélectif, probablement parce que son réseau de pores était plus grossièrement creusé et partiellement obstrué, offrant moins de sites de taille idéale où le CO2 peut se loger. Fait important, tous les charbons les plus performants ont maintenu des performances presque constantes sur plusieurs cycles adsorption–désorption, ce qui suggère qu’ils pourraient supporter une utilisation répétée dans des systèmes réels.

Ce que cela signifie pour le captage futur du CO2

Pour un non-spécialiste, le message est simple : un sous-produit forestier de faible valeur peut être valorisé en un carbone poreux finement ajusté, capable de capturer efficacement le CO2, de le préférer nettement à l’azote et d’être réutilisé plusieurs fois. Parmi les approches testées, les traitements à l’acide phosphorique et au sel de zinc du bois de fer persan ont produit des matériaux particulièrement prometteurs, alliant grande surface, tailles de pores bien adaptées et chimie de surface favorable. Bien que les prédictions de performance sur des mélanges gazeux doivent encore être vérifiées dans des essais en flux à l’échelle industrielle, ce travail montre que du « charbon » soigneusement conçu à partir de biomasse locale pourrait devenir un outil pratique et peu coûteux pour réduire les émissions industrielles de gaz à effet de serre.

Citation: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Mots-clés: captage du carbone, charbon activé, biomasse, adsorption de CO2, matériaux poreux