Germination de CaCO3 en surface de CaO : Simulations à l'échelle atomique
Résumé
L'oxyde de calcium, voie envisageable pour la séparation et le captage réversible du dioxyde de carbone via la réaction CaO+CO2 ↔ CaCO3, présente au cours de ses cycles d'utilisation une évolution structurale entraînant un affaiblissement de ses capacités de captage. En vue de préciser les facteurs microscopiques responsables de cette détérioration, les simulations à l'échelle atomique peuvent fournir des informations utiles sur les mécanismes réactionnels, en particulier pour les étapes de germination en surface de l'oxyde de calcium. Nous présentons ici les résultats d'une telle étude, réalisée au moyen de calculs ab initio (DFT). En préalable à l'exploration des interactions solide-gaz, la connaissance des stabilités relatives des surfaces fraîches de l'oxyde de calcium est nécessaire, ce qui suppose une étude thermodynamique de cet oxyde à partir de ses défauts ponctuels. Nos calculs indiquant la surface (001) comme la plus pertinente pour la germination, l'étape suivante concerne l'étude de l'adsorption du dioxyde de carbone sur cette surface. En prenant en compte les interactions latérales entre molécules adsorbées, il est ainsi possible de caractériser l'état de recouvrement de la surface où va se former le germe. Nous abordons ensuite la germination à la surface de CaO, en examinant les possibilités d'insertion de molécules de CO2 dans la zone située immédiatement sous la surface. Ceci permet d'initier la construction d'une courbe de germination hétérogène, destinée à fournir, via la théorie classique de germination, les paramètres cinétiques comme le flux stationnaire de germination, le temps de latence nécessaire pour atteindre l'état stationnaire et la vitesse de croissance d'un agrégat du carbonate. Nous comparons avec les travaux antérieurs reposant sur des champs de forces empiriques, et insistons sur les difficultés inhérentes à notre étude, lesquelles proviennent (i) de la complexité des composés mis en jeu (cristallographie, degrés de liberté de rotation des groupements carbonates), (ii) des fortes contraintes d'épitaxie induites par un germe.