Une collaboration internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Kobe a développé avec succès une membrane photocatalytique laminée en nanofeuilles qui présente à la fois une excellente perméabilité à l'eau et une activité photocatalytique. Les propriétés photocatalytiques de la membrane facilitent le nettoyage car l'irradiation de la membrane avec de la lumière réduit avec succès l'encrassement. Ils ont développé cette membrane en laminant des nanomatériaux 2D (nanosheets) sur un support poreux.

Cette technologie de membrane révolutionnaire peut être appliquée à la purification de l'eau et a donc le potentiel de contribuer à résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques mondiaux en aidant à garantir un approvisionnement en eau potable sûr et une énergie propre. On espère que cela accélérera la transition vers des sociétés durables et neutres en carbone.

Ce développement a été réalisé par un groupe de recherche de la Graduate School of Science, Technology and Innovation/Research Center for Membrane and Film Technology de l'Université de Kobe (Professeur associé NAKAGAWA Keizo, Professeur YOSHIOKA Tomohisa et Professeur MATSUYAMA Hideto) en collaboration avec le Professeur TACHIKAWA Takashi de l'Université de Kobe. Molecular Photoscience Research Center, professeur associé Chechia Hu de l'Université nationale des sciences et technologies de Taiwan et professeur Shik Chi Edman Tsang de l'Université d'Oxford.

Les résultats ont été publiés pour la première fois dans le Chemical Engineering Journal le 7 avril 2022.

L'accès adéquat à l'eau dans de nombreuses régions du monde devient un problème croissant face au changement climatique mondial, à la forte augmentation de la population et à la croissance économique des pays en développement. Il a été signalé que les deux tiers de la population mondiale souffriront de pénuries d'eau d'ici 2025. Pour prévenir ces graves pénuries d'eau, l'adoption généralisée de technologies de recyclage et de purification de l'eau, ainsi qu'une utilisation efficace des technologies de production d'eau (par exemple, le dessalement de l'eau de mer), sont cruciaux.

La méthode de filtration membranaire est actuellement utilisée dans 900 stations d'épuration car elle fournit de manière continue et stable une eau de bonne qualité. Cependant, il y a le problème de l'encrassement de la membrane où la membrane, qui sépare et élimine les contaminants de l'eau, se bouche. En cas d'encrassement des membranes, il n'est plus possible d'obtenir la quantité d'eau traitée nécessaire. Par conséquent, il est nécessaire de laver ou de remplacer la membrane. Pour résoudre ce problème, de nombreuses recherches ont été menées sur diverses méthodes de prévention de l'encrassement, mais une solution suffisante n'a pas encore été trouvée.

Une méthode a été proposée qui nécessite moins d'énergie et a un faible impact sur l'environnement. Cela implique l'introduction d'un matériau photocatalytique (tel que l'oxyde de titane) dans la membrane et l'élimination des polluants par photocatalyse. Cependant, en plus de pouvoir traiter l'eau, une telle membrane doit également démontrer une réactivité à la lumière visible et une activité photocatalytique élevée. Cela oblige le concepteur à considérer la conception de la membrane sous plusieurs angles, y compris le matériau et la structure de la membrane.

Ce groupe de recherche a précédemment développé une membrane de nanofiltration, qui fonctionne en utilisant des canaux 2D entre ses couches de nanofeuilles. Ils ont développé cette membrane en laminant des nanofeuilles de niobate (un type de nanofeuille d'oxyde métallique, chaque feuille ayant une épaisseur d'environ un nanomètre et une largeur de quelques centaines de nanomètres) sur une membrane de support poreuse, qui a créé les canaux 2D entre les nanofeuilles.

Dans cette étude, ils ont découvert que l'ajout de nanofeuilles de nitrure de carbone (qui a une réactivité à la lumière visible) à la membrane en couches de nanofeuilles de niobate donnait à la membrane une meilleure perméabilité à l'eau tout en augmentant considérablement l'activité photocatalytique. De plus, les propriétés photocatalytiques de la membrane ont complètement résolu le problème de la réduction de la perméance de la membrane due à l'encrassement.

Les membranes stratifiées en nanofeuilles peuvent être formées par simple filtration sous vide de matériaux en nanofeuilles (solutions colloïdales) sur des membranes de support en polymère. Dans cette étude, le groupe de recherche a produit une membrane ultra-mince laminée en nanofeuilles d'environ 100 nanomètres d'épaisseur (Figure 1a). Les mesures de diffraction des rayons X et de fractionnement du poids moléculaire ont révélé que l'introduction de nanofeuilles de nitrure de carbone dans une membrane laminée de nanofeuilles de niobate pouvait contrôler le diamètre des nanocanaux entre les couches.

En termes de fonctionnalité de la membrane, la membrane de nanofiltration laminée avec un rapport 74:25 de niobate (HNB₃ O₈ ) nanofeuillet en nitrure de carbone (g-C₃ N₄ ) nanosheet a maintenu ses performances de séparation tout en démontrant une augmentation de 8 fois de la perméance à l'eau (Figure 1b). En termes de performances photocatalytiques, l'intégration de nanofeuillets de nitrure de carbone a permis d'absorber la lumière visible. De plus, cette combinaison de nanofeuilles a grandement amélioré la capacité de la membrane à photodégrader les colorants cationiques (rhodamine B) (Figure 1c).

Lorsque la membrane composite développée est utilisée comme membrane de séparation, les nanofeuillets de niobate donnent sa structure à la membrane laminée, tandis que le nitrure de carbone est introduit entre ces couches et joue le rôle d'espaceur. Par conséquent, les canaux de la membrane stratifiée se dilatent, augmentant considérablement le taux de perméation de l'eau (côté gauche de la figure 2a). Ce contrôle de la structure des canaux permet de séparer 90 % d'un colorant (de poids moléculaire d'environ 1000) de l'eau.

La fonctionnalité photocatalytique de la membrane est la suivante :les nanofeuillets de nitrure de carbone fonctionnent comme des photocatalyseurs qui absorbent la lumière visible et les nanofeuillets de niobate agissent comme des promoteurs catalytiques. De plus, le groupe de recherche a révélé qu'un contrôle approprié de la structure de la bande permettait aux électrons de se déplacer efficacement, ce qui entraînait une augmentation spectaculaire de l'activité photocatalytique (côté droit de la figure 2a). En utilisant ces résultats comme base, les chercheurs ont appliqué la membrane à la purification de l'eau et ont mené une expérience d'encrassement de la membrane en utilisant de l'albumine de sérum bovin (BSA) comme agent d'encrassement. L'encrassement BSA a réduit la vitesse de perméation de l'eau de la membrane à 1/5 de sa performance normale. Cependant, les chercheurs ont réussi à restaurer complètement sa perméance en irradiant la membrane nanofeuille composite (Figure 2b).

En entrelaçant différents types de nanofeuilles pour former des nanocanaux 2D, les chercheurs ont réussi à développer une membrane qui démontre à la fois une excellente perméabilité à l'eau et une activité photocatalytique. On s'attend à ce que d'autres améliorations puissent être apportées à la fonctionnalité de la membrane et à l'action photocatalytique en modifiant le type de nanofeuille pour contrôler plus précisément la formation de nanocanaux 2D et la structure de la bande. Ensuite, les chercheurs espèrent augmenter la surface de la membrane et développer le procédé photocatalytique, visant une application industrielle et pratique. + Explorer plus loin

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