La séparation des molécules de dioxyde de carbone des mélanges gazeux nécessite des matériaux dotés de pores extrêmement fins. Des chercheurs de l'Université Friedrich Schiller de Jena, en coopération avec l'Université de Leipzig et l'Université de Vienne, ont trouvé une nouvelle façon de procéder.
Ils ont transformé des composés cristallins à structure organométallique en verre. Ce faisant, ils ont réussi à réduire la taille des pores du matériau au point de le rendre imperméable à certaines molécules de gaz. Ils ont rapporté leurs découvertes dans la revue Nature Materials. .
"En fait, ces matériaux semblables au verre étaient auparavant considérés comme non poreux", explique le Dr Alexander Knebel de l'Institut Otto Schott de l'Université de Jena, qui a dirigé ces travaux. "Le matériau de départ, c'est-à-dire les composés cristallins à charpente, ont des pores très clairement définis et également une grande surface interne. Par conséquent, ils sont également recherchés comme matériaux pour le stockage ou la séparation des gaz. Cependant, cette structure définie est perdue lors de la fusion et de la compression. Et nous en avons profité."
"Les composés à structure métallo-organique sont constitués d'ions métalliques liés entre eux par des molécules organiques rigides", explique le chef du groupe de recherche junior. "Dans les espaces de ces grilles tridimensionnelles et régulières, les molécules de gaz peuvent se déplacer facilement. Pendant le traitement du verre, nous avons compressé le matériau. En termes simples, nous avons pu réduire les pores jusqu'à la taille souhaitée."
Même si la structure globale du cristal disparaît lors de la fusion, certaines parties du cristal conservent leur structure. "En termes techniques, cela signifie que lors de la transition du cristal au verre, l'ordre à longue portée du matériau est perdu, mais l'ordre à courte portée est préservé", explique Knebel.
Oksana Smirnova, doctorante à l'Université de Jena et auteur principal de l'ouvrage, ajoute :"Lorsque nous fondons et compressons ce matériau, les interstices poreux changent également." En conséquence, des canaux avec des étranglements, voire des impasses, sont créés et, par conséquent, certains gaz ne passent tout simplement plus.
Le groupe a ainsi obtenu des diamètres de pores de 0,27 à 0,32 nanomètres dans le matériau, avec une précision au centième de nanomètre. "Par exemple :c'est environ 10 000 fois plus fin qu'un cheveu humain et 100 fois plus fin qu'une double hélice d'ADN. Avec cette taille de pores, nous avons pu séparer, par exemple, le dioxyde de carbone de l'éthane", explique Knebel. "Notre avancée dans ce domaine réside probablement dans la haute qualité des verres et dans le réglage précis des canaux de pores. Et nos verres mesurent également plusieurs centimètres."
"L'un des objectifs de ces travaux est de développer une membrane de verre pour des applications environnementales. Car la séparation du dioxyde de carbone des gaz est sans aucun doute l'un des grands défis technologiques de notre époque", explique Knebel. "C'est pourquoi je suis également reconnaissant... pour l'engagement exceptionnel de ma doctorante Oksana Smirnova, qui a contribué de manière significative au succès de ce travail."
Plus d'informations : Oksana Smirnova et al, Contrôle précis des canaux de transport de gaz dans les verres à armature d'imidazolate zéolithique, Nature Materials (2023). DOI :10.1038/s41563-023-01738-3
Informations sur le journal : Matériaux naturels
Fourni par l'Université Friedrich Schiller de Jena
