En créant des trous à l'échelle atomique dans des membranes atomiquement minces, il devrait être possible de créer des tamis moléculaires pour une séparation précise et efficace des gaz, y compris l'extraction du dioxyde de carbone de l'air, ont découvert des chercheurs de l'Université de Manchester.

Si la taille des pores d'une membrane est comparable à la taille des atomes et des molécules, ils peuvent soit traverser la membrane, soit être rejetés, permettant la séparation des gaz en fonction de leurs diamètres moléculaires. Les technologies industrielles de séparation des gaz utilisent largement ce principe, s'appuyant souvent sur des membranes polymères de porosité différente. Il y a toujours un compromis entre la précision de la séparation et son efficacité :plus vous ajustez finement la taille des pores, moins le débit de gaz autorisé par ces tamis est important.

On a longtemps spéculé qu'en utilisant des membranes bidimensionnelles d'épaisseur similaire au graphène, on peut atteindre de bien meilleurs compromis que ceux actuellement réalisables car, contrairement aux membranes conventionnelles, les membranes atomiquement minces devraient permettre des flux de gaz plus faciles pour la même sélectivité.

Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par le professeur Sir Andre Geim de l'Université de Manchester, en collaboration avec des scientifiques belges et chinois, a utilisé des électrons à faible énergie pour percer des trous individuels à l'échelle atomique dans du graphène en suspension. Les trous avaient des tailles jusqu'à environ deux angströms, plus petits que même les plus petits atomes tels que l'hélium et l'hydrogène.

Dans le numéro de décembre de Nature Communications , les chercheurs rapportent avoir atteint une sélectivité quasi parfaite (supérieure à 99,9 %) pour des gaz comme l'hélium ou l'hydrogène par rapport à l'azote, le méthane ou le xénon. De plus, les molécules d'air (oxygène et azote) traversent facilement les pores par rapport au dioxyde de carbone, qui est capturé à plus de 95 %.

Les scientifiques soulignent que pour rendre pratiques les membranes bidimensionnelles, il est essentiel de trouver des matériaux atomiquement minces avec des pores intrinsèques, c'est-à-dire des pores dans le réseau cristallin lui-même.

"Les tamis de précision pour les gaz sont certainement possibles et, en fait, ils ne sont pas différents conceptuellement de ceux utilisés pour tamiser le sable et les matériaux granulaires. Cependant, pour rendre cette technologie pertinente sur le plan industriel, nous avons besoin de membranes avec des pores densément espacés, et non de trous individuels créés dans notre étude pour prouver le concept pour la première fois. Ce n'est qu'alors que les débits élevés requis pour la séparation des gaz industriels pourront être atteints », déclare le Dr Pengzhan Sun, l'un des principaux auteurs de l'article.

L'équipe de recherche prévoit maintenant de rechercher de tels matériaux bidimensionnels avec de grands pores intrinsèques pour trouver ceux qui sont les plus prometteurs pour les futures technologies de séparation des gaz. De tels matériaux existent. Par exemple, il existe divers graphynes, qui sont également des allotropes de carbone atomiquement minces mais pas encore fabriqués à grande échelle. Ceux-ci ressemblent au graphène mais ont des anneaux de carbone plus grands, de taille similaire aux défauts individuels créés et étudiés par les chercheurs de Manchester. La bonne taille peut rendre les graphies parfaitement adaptées à la séparation des gaz. + Explorer plus loin

Membranes de tamis moléculaire zéro dimension pour améliorer la sélectivité de la séparation des gaz