Des chercheurs du groupe du Dr Stefania Grecea de la priorité de recherche en chimie durable de l'Université d'Amsterdam ont mis au point un moyen d'améliorer les performances pratiques des structures métal-organiques (MOF). En utilisant des feuilles de peuplier noir comme modèle, ils ont produit des structures poreuses hiérarchiques de matériaux d'oxydes métalliques mixtes pouvant servir de support aux cristaux de MOF. Dans une édition récente de la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS , doctorat étudiant Yiwen Tang, en collaboration avec le Dr David Dubbeldam du groupe UvA Computational Chemistry, démontrer les propriétés uniques d'adsorption et de séparation de la conception bio-inspirée.

La séparation des mélanges eau-alcool est l'un des problèmes les plus difficiles associés à l'application pratique du bioéthanol en tant que carburant durable. Produit à partir de matières premières agricoles, les fermes d'algues ou la fermentation de mélasses, le bioéthanol contient à la fois de l'eau et du méthanol comme impuretés. L'obtention de bioéthanol de qualité carburant à partir de ces mélanges eau-alcool en utilisant la distillation traditionnelle n'est pas pratique car l'eau et l'éthanol forment un mélange dit azéotropique.

L'alternative économique et écologique à la distillation est la séparation par adsorption. Dans la production de biocarburants, cette méthode repose sur la mise au point de matériaux adsorbants très sélectifs vis-à-vis de l'éthanol ou des impuretés du mélange. Dans le domaine de recherche prioritaire Chimie durable de l'Université d'Amsterdam, le groupe du Dr Stefania Grecea développe des approches synthétiques pour la conception de matériaux poreux à base moléculaire avec de telles propriétés d'adsorption sélective.

Matériaux adsorbants

Les matériaux adsorbants appropriés pour les applications de séparation doivent avoir une structure poreuse appropriée et une surface spécifique élevée pour faciliter à la fois l'adsorption et la diffusion de molécules spécifiques. Une classe spécifique de matériaux adsorbants sont les charpentes organométalliques (MOF). Ils ont une surface spécifique élevée et en ajustant la taille et la fonctionnalité de leurs pores au niveau moléculaire, des sélectivités d'adsorption spécifiques peuvent être obtenues.

Cependant, leur application pratique dépend également de leurs propriétés macroscopiques. Les MOF sont souvent synthétisés sous forme de poudres de minuscules cristaux. Ceux-ci ne peuvent pas être utilisés directement dans des applications industrielles car ils ont une densité de tassement limitée ainsi que des barrières de diffusion élevées. Une solution consiste à façonner les MOF sous forme de granulés, pastilles ou monolithes, ou de les disperser au sein de films minces, créer des membranes. Cependant, la pression appliquée dans de tels procédés de mise en forme conduit à une perte de cristallinité et donc à une activité réduite voire à une inactivation des matériaux MOF. Trouver la méthode de traitement des MOF la plus appropriée reste donc un véritable défi.

Regarder les feuilles

À la recherche de moyens d'améliorer les performances du MOF, les chercheurs d'Amsterdam se sont tournés vers la nature, en particulier, aux feuilles des plantes vertes. Les scientifiques ont déjà utilisé des feuilles naturelles comme modèles pour concevoir des photocatalyseurs hétérogènes, car ils sont structurés pour fournir une récolte efficace de la lumière. De telles structures de feuilles artificielles se sont avérées très efficaces pour la production d'hydrogène.

Les chercheurs d'UvA se sont inspirés du système naturel des veines des feuilles qui a évolué pour transporter les liquides aqueux. C'est un système poreux hiérarchique composé de nombreuses fibres et vaisseaux de différentes tailles. Dans la technologie de séparation, les matériaux poreux hiérarchiquement ayant des pores à plusieurs niveaux présentent souvent des performances d'adsorption améliorées par rapport aux matériaux poreux de taille uniforme.

Par conséquent, les chercheurs ont synthétisé un matériau d'oxyde métallique mixte avec une structure poreuse hiérarchique à l'aide d'une méthode sol-gel dans laquelle des feuilles naturelles de peuplier noir (Populous nigra) ont été utilisées comme modèle. Cette feuille artificielle d'oxyde mixte a ensuite été utilisée comme support pour créer une couche dispersée de manière homogène de cristaux de MOF.

Des études morphologiques détaillées ont montré que le matériau composite résultant a en effet une structure poreuse hiérarchique et que les cristaux de MOF avec une distribution de taille étroite sont dispersés de manière homogène à la surface interne des pores hiérarchiques.

Études de performances

Au vu de l'application dans la purification du bioéthanol, Yiwen Tang a étudié l'eau, propriétés d'adsorption du méthanol et de l'éthanol du nouveau matériau. Il a établi que la sélectivité varie dans l'ordre méthanol> éthanol> l'eau. Des simulations moléculaires ultérieures effectuées par le Dr David Dubbeldam à l'aide de mélanges équimolaires d'éthanol et de méthanol ont montré que l'adsorption du méthanol est hautement sélective dans la plage des basses pressions. De plus, le matériau est efficace pour séparer des mélanges eau-éthanol, l'éthanol étant adsorbé sélectivement dans la plage des basses pressions, tandis que l'eau est adsorbée sélectivement à haute pression.

Les chercheurs concluent que leur approche synthétique bio-inspirée est très pertinente non seulement pour les applications de séparations moléculaires, mais aussi comme stratégie générale pour la conception de matériaux composites MOF pour diverses applications, y compris la catalyse et la détection moléculaire.