Doctorat en “Simulations informatiques atomistiques de minéralisation sur des surfaces d’oxyde de magnésium pour une séquestration durable du carbone” – Programme MSCA Cofund SEED

_{La conversion du CO 2} atmosphérique  en stockage durable de minéraux est une méthode innovante de séquestration du carbone pour lutter contre le changement climatique mondial. La capacité des minéraux contenant du magnésium à réagir avec le CO ₂  pour produire des carbonates de magnésium présente un intérêt particulier pour les technologies de captage de l’air,[1,2] et notamment celles utilisant une altération améliorée des minéraux [3, 4]. La base scientifique de cette forme de minéralisation du CO ₂  découle des travaux antérieurs de Seifritz [5] et Lackner [6], qui ont démontré que les réactions naturelles avec les roches broyées pouvaient être considérablement améliorées pour éliminer le CO 2 atmosphérique _à  l’échelle humaine. Cette technologie et les technologies associées nécessitent une compréhension approfondie des mécanismes de transformation des minéraux lorsque les matériaux sont exposés à des gaz porteurs de CO ₂ humides (ambiants ou sous pression) . Les produits de minéralisation du CO ₂  sont chimiquement stables et non toxiques, ce qui minimise les risques environnementaux potentiels et contribue à la durabilité à long terme de cette méthode. Au-delà de ses implications environnementales, cette approche offre également un potentiel considérable pour développer une industrie durable, facilitant la transition vers une économie à faibles émissions de carbone. Ainsi, en combinant des bénéfices environnementaux substantiels avec un potentiel d’innovation et de développement économique, la minéralisation du CO ₂  apparaît comme une voie prometteuse vers des transitions écologiques et industrielles durables.

Actuellement, l’un des défis majeurs dans la compréhension du mécanisme de minéralisation du CO ₂  par les oxydes de magnésium réside dans les interactions complexes à l’interface entre la surface solide et le gaz en présence d’eau omniprésente dans tout milieu naturel. Les films d’eau adsorbés créés par l’adhésion et la condensation de l’humidité ambiante sur les surfaces minérales forment des nano-environnements de solvatation réactifs qui peuvent conduire à des réactions de transformation minéralogique. Les matériaux à base d’oxyde de magnésium, recouverts de quelques couches moléculaires d’eau, sont particulièrement prometteurs pour la minéralisation du CO ₂  . Une compréhension insuffisante de la structure et de la dynamique à l’échelle moléculaire des espèces fluides à l’interface minérale, des sites d’adsorption de surface préférentiels pour les molécules de CO ₂  et de l’impact de la quantité d’eau à la surface constitue un obstacle majeur à l’amélioration de l’efficacité et de la durabilité de la minéralisation. processus

La technique classique de simulation informatique de dynamique moléculaire (MD), avec sa capacité à modéliser avec précision les propriétés physico-chimiques des matériaux à l’échelle atomique fondamentale, est un outil puissant pour comprendre les mécanismes moléculaires opérant à ces interfaces, qui sont régis par l’interaction intermoléculaire [7 ,8]. Les simulations MD permettent d’étudier quantitativement l’adsorption du CO ₂  dans diverses conditions, notamment les charges d’eau du film, la pression, la température et les défauts de surface minérale. En particulier, l’orientation des molécules et les liaisons hydrogène formées au sein des fines couches d’eau adsorbées peuvent être entièrement caractérisées pour quantifier leur influence sur l’incorporation des molécules de CO ₂  dans le film d’eau et son interaction avec les surfaces solides.

Dans le même temps, des simulations quantiques (par exemple ab initio MD et mécanique quantique/mécanique moléculaire) peuvent être utilisées pour décrire les réactions de transformation chimique à l’échelle atomique [9]. Celles-ci incluent les réactions de conversion du CO ₂  en espèces (bi)carbonates et la complexation en paires d’ions magnésium-carbonate ainsi que l’étude d’amas plausibles de prénucléation de solides de carbonate de magnésium. L’utilisation de simulations classiques et quantiques permettra ainsi de mieux comprendre les premières étapes cruciales de la minéralisation du CO ₂  par les oxydes de magnésium.