Réimaginer l’industrie du charbon grâce aux points carbone

En déc. 2023, 198 pays signataires à la Conférence des Parties (COP) ont convenu collectivement que le monde doit « transitionner » loin des combustibles fossiles comme le charbon d’une manière « juste, ordonnée et équitable » afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre à presque zéro d’ici 2050. Cependant, il n’existe pas encore de calendrier, si bien que les combustibles fossiles resteront le pilier des économies partout dans les années à venir.

Le charbon est la source d’énergie la plus dominante et la plus carbonée du monde. Les quatre principaux types de charbon comprennent :

(i) Anthracite
(ii) Bitumineux
(iii) Subbitumineux
(iv) Lignite

Ce combustible fossile représente plus de 37 % de l’approvisionnement mondial en électricité, jouant un rôle fondamental dans l’alimentation des foyers et des industries et atténuant la pauvreté énergétique mondiale. Aujourd’hui encore, environ 860 millions de personnes à travers le monde vivent sans accès à l’électricité. Ainsi, la vie moderne est tout simplement inimaginable sans le charbon.

La consommation mondiale de charbon a réellement atteint un record en 2023, la demande pour ce combustible fossile ayant augmenté de 1,4 % au cours de l’année pour dépasser pour la première fois les 8,5 milliards de tonnes métriques, rapporté par l’Agence internationale de l’énergie (IEA). Sa consommation mondiale devrait rester bien au-dessus de 8 milliards de tonnes métriques en 2026.

Le charbon est une ressource essentielle pour relever le défi de l’augmentation rapide de la consommation d’énergie, car il est nettement moins cher et plus accessible que les autres combustibles fossiles. Contrairement au pétrole et au gaz, il se trouve en abondance partout dans le monde.

Le point avec le charbon, c’est qu’il ne nécessite pas de pipelines à haute pression, de traitements coûteux ou de protections onéreuses pendant le transport, ce qui le rend plus facile à stocker et à transporter que les autres combustibles fossiles hautement inflammables. De plus, avant d’être utilisé, le charbon n’a besoin que d’être extrait, contrairement aux autres combustibles fossiles qui exigent un processus de raffinage long et coûteux.

Sans oublier que les réserves de charbon sont beaucoup plus également réparties sur la planète. En janvier 2020, les États‑Unis possèdent les plus grandes réserves de charbon du monde, représentant près de 90 % de toutes les réserves de combustibles fossiles, avec une estimation de 250 milliards de tonnes.

En plus d’être moins cher et accessible, le charbon est également très polyvalent et peut être utilisé dans une gamme de procédés. Le charbon est principalement utilisé pour la production d’électricité dans le monde et constitue en réalité une forme d’énergie abordable, l’électricité générée par le charbon étant moins coûteuse que celle produite par d’autres sources.

Même aux États‑Unis, le charbon est utilisé pour produire de l’électricité en brûlant le combustible fossile dans des centrales électriques. La chaleur ainsi générée sert à transformer l’eau en vapeur à haute pression, qui entraîne une turbine, laquelle produit ensuite de l’électricité. En 2019, environ 23 % de toute l’électricité aux États‑Unis était générée par des centrales à charbon, selon l’Administration américaine de l’information énergétique.

Ce combustible fossile est également utilisé pour produire de l’acier et du béton et constitue un composant essentiel dans la fabrication du fer, ainsi que d’autres métaux comme l’aluminium et le cuivre. Le charbon et ses sous‑produits sont en outre employés dans les filtres à eau et les systèmes de purification de l’air, dans la construction d’avions et d’automobiles, dans les médicaments, et dans les procédés chimiques d’extraction des terres rares.

Il existe également des cas d’utilisation du charbon pour la gazéification et la liquéfaction, la majorité des projets de charbon à gaz étant situés aux États‑Unis et en Chine, avec quelques projets en Australie, au Canada, en Inde, en Afrique du Sud et en Indonésie. En plus de produire des blocs chimiques de base, tels que l’ammoniac, le méthanol et l’urée, le charbon est également utilisé dans les industries du papier, du textile et du verre. Avec la fabrication de fibres de carbone, il fournit des ingrédients comme les métaux de silicium, qui sont utilisés pour produire des composants pour les secteurs des soins personnels et ménagers.

Malgré l’abondance, le faible coût et la fiabilité du charbon, l’industrie fait face à des défis sous la forme du développement de technologies et de voies vers zéro émission, ce qui est identifié comme un facteur du changement climatique.

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Réévaluer le rôle économique du charbon

Alors que les pays du monde entier s’engagent à passer à d’autres moyens de production d’énergie en raison de leur contribution au changement climatique, les chercheurs et scientifiques explorent d’autres façons d’utiliser le charbon.

Pour réévaluer le rôle économique du combustible fossile, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, le National Energy Technology Laboratory, l’University of Illinois Urbana‑Champaign et Oak Ridge National Laboratory se sont réunis pour un effort de recherche conjoint et démontrer le rôle crucial que le charbon peut jouer dans les dispositifs électroniques de prochaine génération.

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été menées dans le domaine des matériaux 2D en raison de leurs propriétés électriques, optiques et mécaniques. La synthèse d’une gamme de matériaux 2D atomiquement minces ouvre une nouvelle plateforme de matériaux couche par couche qui permet d’explorer des propriétés inconnues, promettant une série de nouvelles technologies.

Les semi-conducteurs à couches 2D possèdent des caractéristiques telles qu’une haute mobilité, un commutateur à faible consommation, une bande interdite relativement large, et la disponibilité de méthodes de croissance à grande surface, ce qui en fait des candidats prometteurs pour la prochaine génération d’électronique. Aujourd’hui, le charbon est expérimenté pour une utilisation dans de telles électroniques.

« Le charbon est généralement considéré comme quelque chose de volumineux et sale, mais les techniques de traitement que nous avons développées peuvent le transformer en matériaux de haute pureté d’à peine quelques atomes d’épaisseur. »

– a déclaré Qing Cao, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université de l’Illinois, qui a co‑dirigé l’effort.

Il a également noté :

« Leurs structures atomiques uniques et leurs propriétés sont idéales pour fabriquer certaines des plus petites électroniques possibles avec des performances supérieures à l’état de l’art. »

Dans le cadre de cette collaboration, les chercheurs ont développé un procédé qui convertit le charbon de houille en disques de carbone extrêmement petits, appelés « points carbone ».

Comme le montre le groupe de recherche, ces disques de carbone à l’échelle nanométrique peuvent être reliés pour créer des membranes atomiquement minces. Ces membranes peuvent être utilisées dans des technologies telles que les transistors bidimensionnels (2D) et les memristors. Selon les chercheurs, ces technologies seront essentielles pour construire des électroniques plus efficaces.

Alors que les matériaux à base de carbone, qu’il s’agisse du carbone industriel traditionnel comme le noir de carbone ou du nouveau carbone industriel comme le graphite et les fibres de carbone, jouent des rôles importants dans le développement de la science des matériaux, le carbone macroscopique ne peut pas vraiment être utilisé comme matériau fluorescent efficace en raison d’un manque de bande interdite appropriée. C’est là que les points carbone (CDs) ont émergé comme une solution prometteuse.

Les points carbone ou CDs sont un nouveau type de nanomatériau à base de carbone qui a suscité beaucoup d’attention et d’intérêt de recherche en raison de leurs diverses propriétés physico‑chimiques. Les points carbone sont méticuleusement formulés et mesurent généralement moins de 10 nm. Ce nanomatériau à base de carbone possède des caractéristiques telles que petite taille, respect de l’environnement, faible coût, faible toxicité, haute stabilité, bonne biocompatibilité, mobilité électronique, rendement quantique élevé, abondance de groupes fonctionnels et propriétés optiques uniques, incluant forte absorption, photoluminescence et phosphorescence.

Toutes ces qualités rendent ce nouveau matériau de la famille du carbone très populaire et lui confèrent de nombreuses applications. Cela inclut :

• Capteurs
• Cryptage d’information
• Photocatalyse
• Diodes électroluminescentes
• Détection chimique
• Cellules solaires
• Supercondensateurs
• Batteries rechargeables
• Bio-imagerie
• Photothérapie
• Livraison de gènes
• Livraison de drudge
• Détection d’explosifs
• Nanomédecine
• Sécurité alimentaire
• Antifraude

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Le charbon jouera un rôle essentiel dans les électroniques de prochaine génération 

Les chercheurs et scientifiques du monde entier travaillent à créer des électroniques plus petites, plus rapides et plus avancées. Cela signifie que les appareils fabriqués avec des matériaux d’une ou deux atomes d’épaisseur fonctionnent beaucoup plus rapidement et consomment beaucoup moins d’énergie.

En vue de ces appareils, de nombreuses études ont été menées sur les semi-conducteurs ultrafins, mais il faut maintenant mener des recherches approfondies sur les isolants atomiquement minces afin de construire des dispositifs électroniques fonctionnels tels que les transistors et les memristors.

En ce qui concerne les matériaux, ils sont classés en conducteurs, semi-conducteurs et isolants selon leur capacité à conduire un courant électrique. Les matériaux tels que le cuivre, le laiton, l’acier, l’or et l’aluminium, qui conduisent facilement l’électricité grâce à une faible résistivité, sont appelés conducteurs.

Les isolants sont des matériaux tels que le verre, l’air, le bois, le plastique et le caoutchouc, qui ne conduisent pas facilement l’électricité. En revanche, des matériaux comme le silicium (Si), le germanium (Ge) et le sélénium (Se), ainsi que des composés comme le gallium arsenide (GaAs) et l’indium antimonide (InSb), possèdent une conductivité électrique intermédiaire entre celle d’un conducteur et d’un isolant.

La résistance d’un semi-conducteur diminue à mesure que la température augmente, tandis que la conductivité d’un semi-conducteur augmente avec la température.

Les isolants ont une large gamme d’applications, notamment l’isolation des murs pour réguler le flux de chaleur, l’isolation des fours pour les barrières thermiques et diélectriques, l’isolation acoustique pour prévenir les perturbations, et l’isolation électrique dans les circuits domestiques et les condensateurs des biens commerciaux et de consommation. Les semi-conducteurs sont également omniprésents, comme les minuscules transistors présents dans presque tous les appareils que nous utilisons et les cellules solaires utilisées dans les panneaux photovoltaïques pour convertir la lumière du soleil en électricité.

Dans les isolants, le gap énergétique entre les bandes de valence et de conduction est très large (environ 15 eV) tandis que dans un semi-conducteur, ce gap est très petit (environ 1 eV).

Selon la dernière étude, des couches atomiquement minces de carbone avec des structures atomiques désordonnées peuvent fonctionner comme un excellent isolant pour la construction de dispositifs 2D, que l’équipe a créés à partir de points carbone dérivés du charbon de houille.

Maintenant, pour démontrer le potentiel des couches de carbone dérivées du charbon, les chercheurs les ont utilisées comme diélectrique de grille dans des transistors 2D. Construite sur le semi-conducteur disulfure de molybdène, l’équipe a créé un dispositif dont la vitesse de fonctionnement était plus de deux fois supérieure avec une consommation d’énergie moindre.

Ces couches de carbone dérivées du charbon ne possèdent pas de « liaisons pendantes », qui sont abondantes à la surface des isolants 3D conventionnels. En fonctionnant efficacement comme des « pièges », elles modifient les propriétés électriques des isolants 3D, ralentissant le transport des charges mobiles, ce qui affecte la vitesse de commutation du transistor.

Cependant, les nouvelles couches de carbone dérivées du charbon, contrairement à d’autres matériaux atomiquement minces, sont amorphes, et les courants électriques indésirables traversent l’isolant, entraînant une consommation d’énergie supplémentaire substantielle pendant le fonctionnement du dispositif. M. Qing Cao a déclaré :

« C’est vraiment passionnant, car c’est la première fois que le charbon, que nous considérons habituellement comme une technologie de bas niveau, est directement lié à la pointe de la microélectronique. »

Une autre application démontrée par les chercheurs est les memristors, des composants électroniques capables de stocker et de traiter des données, améliorant considérablement la mise en œuvre de l’intelligence artificielle (IA). Ces dispositifs stockent et représentent les données en modulant un filament conducteur.

En utilisant des couches de carbone ultrafines comme isolant, les chercheurs ont pu obtenir une formation rapide de ce filament avec une faible consommation d’énergie, ce qui a permis au dispositif de fonctionner à grande vitesse avec peu de puissance. De plus, les anneaux de taille atomique dans ces couches de carbone dérivées du charbon piègent le filament pour améliorer la reproductibilité des opérations du dispositif, augmentant ainsi la fiabilité du stockage de données.

Ces nouveaux dispositifs démontrent que les couches de carbone dérivées du charbon de houille peuvent être utilisées dans des dispositifs 2D. Dans l’étape suivante, l’effort collaboratif se dirigera vers le développement d’un « processus de fabrication d’isolants à base de carbone dérivé du charbon » qui pourra être appliqué à grande échelle.

Exploiter la nouvelle approche 

Alors que le monde se détourne du carbone en raison d’une attention croissante à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, la recherche en cours dans l’industrie pour réévaluer le carbone peut permettre à différents secteurs, tels que les fabricants de semi-conducteurs, d’exploiter ses nouvelles formes à l’avenir. Regardons donc quelques-unes des entreprises qui pourraient adopter ces approches.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Il s’agit du plus grand fabricant de puces au monde, qui utilise les technologies de processus les plus avancées de l’industrie. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. est connue pour répondre aux besoins de nombreux clients de haut niveau, dont NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) et Apple. La gamme d’applications produits de l’entreprise couvre le vaste secteur électrique, et elle s’étend progressivement à travers le monde avec des usines réparties sur trois continents.