Quel est le point commun entre une technologie de stockage d'énergie dans une cellule solaire et celle de purification de l'eau ? Ils reposent tous les deux sur l'utilisation de matériaux poreux, ou plus précisément, des matériaux « nanoporeux » qui peuvent piéger des molécules de gaz dans des espaces étroits à leur surface, appelés pores, qui ne mesurent que des nanomètres (un milliardième de mètre). Dans le jargon de la chimie, le phénomène est connu sous le nom d'adsorption et a joué un rôle important dans la synthèse de matériaux poreux de différentes compositions, tailles de pores, et même des géométries de pores.

Traditionnellement, charbon actif (AC, ou une forme poreuse de carbone) a été un adsorbant populaire pour des applications pratiques en raison de sa capacité d'adsorption plus élevée que celle d'autres matériaux poreux. Dernièrement, cependant, le nitrure de bore poreux (p-BN) s'est imposé comme une alternative prometteuse en raison de ses performances impressionnantes, comme le souligne une étude récente affirmant que le p-BN peut adsorber une quantité relativement importante de dioxyde de carbone à température ambiante.

Maintenant, un groupe de scientifiques de l'Université d'Okayama et de l'Université de Nagasaki, Japon, a mis cette affirmation à l'épreuve dans sa dernière étude, où ils ont examiné en détail les caractéristiques d'adsorption du p-BN. "Une unité BN et deux atomes de carbone (c'est-à-dire, CC) ont tous deux le même nombre d'électrons et des structures similaires, mais leur interaction avec les molécules de gaz est différente en raison de la nature atomiquement hétérogène du BN. Malgré cela, il y a eu très peu de recherches sur les matériaux BN. Dans notre étude, nous voulions voir si le BN a des propriétés d'adsorption spécifiques qui ne peuvent pas être observées dans les matériaux carbonés, " explique le Dr Takahiro Ohkubo de l'Université d'Okayama, qui a dirigé cette étude publiée dans la revue Avances RSC .

Pour commencer, les scientifiques ont synthétisé des échantillons de p-BN à haute température en présence d'azote et ont étudié leur structure par diffraction des rayons X, analyse de spectres infrarouges (IR), et la microscopie électronique à haute résolution. Les échantillons ne différaient les uns des autres que par les températures auxquelles ils ont été synthétisés. Alors que les données de diffraction des rayons X et IR ont révélé une phase amorphe (manque de structure bien définie) BN comprenant des microcristaux de phase hexagonale BN (h-BN) pour tous les échantillons, celui traité à 1673 K (1400°C), appelé p-BN-1673, a montré la structure la plus ordonnée. Après l'avoir examiné au microscope électronique, les scientifiques ont découvert que cet échantillon était composé de couches empilées de feuilles incurvées avec des pores de la taille du nanomètre formés entre les deux.

Les scientifiques ont ensuite examiné les courbes thermogravimétriques des échantillons pour estimer leur stabilité contre l'oxydation et ont découvert qu'elle était directement liée à la température de synthèse, avec des températures plus élevées entraînant une plus grande stabilité. De plus, certaines espèces supplémentaires de carbone et d'oxygène ont été introduites dans la structure cristalline h-BN, en particulier dans le p-BN-1473, donnant lieu à des sites chimiquement actifs pour l'adsorption d'azote. Bien que ces espèces réduisent généralement la stabilité à l'oxydation, la cristallinité du h-BN a permis de le préserver jusqu'à 973 K dans des conditions normales, une propriété non présente dans les adsorbants à base de carbone.

Finalement, en comparant la capacité d'adsorption de gaz du p-BN et du CA avec l'azote et l'argon en tant qu'adsorbats, les scientifiques ont observé que les pores du p-BN adsorbaient l'azote plus fortement que l'argon et en quantité relativement beaucoup plus importante (~ 150 % à 200 %) que l'AC. Ils ont attribué cette observation à une interaction physique supplémentaire entre l'azote et les pores du p-BN qui était absente pour l'argon, et la création de sites d'adsorption dans le p-BN par les espèces de carbone et d'oxygène imprégnées.

Avec ces résultats, le Dr Ohkubo et son équipe sont confiants quant à l'émergence du p-BN en tant que matériau adsorbant de nouvelle génération. "Compte tenu de sa stabilité à l'oxydation supérieure et de la nature de l'adsorption, nous attendons avec impatience les applications du BN poreux en tant que nouveau matériau de support d'adsorbant et de catalyseur, en particulier dans les cas où l'utilisation d'adsorbants carbonés n'est pas envisageable, " commente le Dr Ohkubo.

On dirait que le carbone est sur le point de se démoder sur un autre front.