Enrichi en fer :ce n'est plus seulement pour les céréales du petit-déjeuner. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont démontré une méthode plus simple d'ajout de fer à de minuscules sphères de carbone pour créer des matériaux catalytiques qui ont le potentiel d'éliminer les contaminants du gaz ou du liquide.

Mark Rood, professeur de génie civil et environnemental, l'étudiant diplômé John Atkinson et son équipe ont décrit leur technique dans le journal Carbone .

Les structures carbonées peuvent être une base de support pour les catalyseurs, comme le fer et d'autres métaux. Le fer est un produit facilement disponible, catalyseur à faible coût avec des applications catalytiques possibles pour les piles à combustible et des applications environnementales pour l'adsorption de produits chimiques nocifs, comme l'arsenic ou le monoxyde de carbone. Les chercheurs produisent une matrice de carbone qui a de nombreux pores ou tunnels, comme une éponge. La grande surface créée par les pores fournit des sites pour disperser de minuscules particules de fer dans toute la matrice.

Une source courante de carbone est le charbon. Typiquement, les scientifiques modifient les matériaux à base de charbon en charbon actif hautement poreux, puis ajoutent un catalyseur. Le processus en plusieurs étapes prend du temps et d'énormes quantités d'énergie. En outre, les matériaux fabriqués avec du charbon sont en proie à la cendre, qui peut contenir des traces d'autres métaux qui interfèrent avec la réactivité du catalyseur à base de carbone.

L'équipe de l'Illinois est sans cendres, processus peu coûteux tire son carbone du sucre plutôt que du charbon.

Dans un processus continu, il produit de minuscules, des sphères micrométriques de porosité, du carbone spongieux incrusté de nanoparticules de fer, le tout en quelques secondes.

"C'est ce qui distingue vraiment cela des autres techniques. Certaines personnes ont carbonisé et imprégné de fer, mais ils n'ont pas de surface. D'autres personnes ont une surface mais n'ont pas pu la charger de fer, " Atkinson a déclaré. "Notre technique fournit à la fois la surface du carbone et les nanoparticules de fer."

Les chercheurs se sont appuyés sur une technique appelée pyrolyse par pulvérisation à ultrasons (USP), développé dans le laboratoire du professeur de chimie de l'Université d'I. Kenneth Suslick en 2005. Suslick a utilisé un humidificateur domestique pour produire une fine brume à partir d'une solution riche en carbone, puis dirigé le brouillard à travers un four extrêmement chaud, qui évaporait l'eau de chaque gouttelette et laissait minuscule, sphères de carbone très poreuses.

Atkinson a utilisé USP pour fabriquer ses sphères de carbone, mais ajouté un sel contenant du fer à une solution de sucre riche en carbone. Lorsque la brume est canalisée dans le four, la chaleur stimule une réaction chimique entre les ingrédients de la solution qui crée des sphères de carbone avec des particules de fer dispersées partout.

"Nous avons pu profiter de la technique USP du Dr Suslick, et nous le renforçons en imprégnant simultanément les carbones poreux avec des nanoparticules métalliques, " Atkinson a déclaré. "C'est simple parce que c'est continu. On peut isoler le carbone, ajouter des pores, et imprégner le fer dans les sphères de carbone en une seule étape."

Un autre avantage de la technique USP est la possibilité de créer des matériaux pour répondre à des besoins particuliers. En fabriquant le matériau à partir de zéro, plutôt que d'essayer de modifier des produits du commerce, les scientifiques et les ingénieurs peuvent développer des matériaux pour des scénarios de résolution de problèmes spécifiques.

"À l'heure actuelle, vous sortez du charbon du sol et le modifiez. Il est difficile de l'adapter pour résoudre un problème particulier de qualité de l'air, " Rood a déclaré. "Nous pouvons facilement changer ce nouveau matériau par la façon dont il est activé pour adapter sa surface et la quantité de fer imprégné. Cette méthode est simple, flexible et adaptable."

Prochain, les chercheurs exploreront les applications du matériau. Rood et Atkinson ont reçu deux subventions de la National Science Foundation pour développer les sphères de carbone-fer pour éliminer l'oxyde nitrique, Mercure, et la dioxine des flux gazeux – des polluants bioaccumulables qui ont suscité des inquiétudes en tant qu'émissions provenant de sources de combustion.

Actuellement, les trois polluants peuvent être traités séparément par des adsorbants et catalyseurs carbonés, mais l'équipe de l'Illinois et ses collaborateurs à Taïwan espèrent exploiter les propriétés d'adsorption du carbone et la réactivité du fer pour éliminer simultanément les trois polluants des flux gazeux.

"Nous cherchons à profiter de leur porosité et, idéalement, leurs applications catalytiques aussi, " Atkinson a déclaré. "Le carbone est un matériau très polyvalent. Ce que j'ai en tête, c'est un contrôle multi-polluants où vous pouvez utiliser la porosité et le catalyseur pour résoudre deux problèmes à la fois."