Les processus de séparation sont essentiels à la purification et à la concentration d'une molécule cible lors de la purification de l'eau, de l'élimination des polluants et du pompage de chaleur, représentant 10 à 15 % de la consommation mondiale d'énergie. Pour rendre les processus de séparation plus économes en énergie, une amélioration de la conception des matériaux poreux est nécessaire. Cela pourrait réduire considérablement les coûts énergétiques d’environ 40 à 70 %. La principale approche pour améliorer les performances de séparation consiste à contrôler avec précision la structure des pores.
À cet égard, les matériaux carbonés poreux offrent un avantage distinct car ils sont composés d’un seul type d’atome et ont été bien utilisés pour les processus de séparation. Ils ont des volumes de pores et des surfaces importants, offrant des performances élevées en matière de séparation des gaz, de purification de l’eau et de stockage. Cependant, les structures poreuses présentent généralement une forte hétérogénéité et une faible possibilité de conception. Cela pose divers défis, limitant l'applicabilité des matériaux carbonés dans la séparation et le stockage.
Aujourd'hui, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur agrégé Tomonori Ohba de l'Université de Chiba et comprenant les étudiants à la maîtrise, M. Kai Haraguchi et M. Sogo Iwakami, a fabriqué du graphène poreux à piliers de fullerène (FPPG), un composite de carbone comprenant des nanocarbones. en utilisant une approche ascendante avec des structures de pores hautement concevables et contrôlables.
Ils détaillent la synthèse, la caractérisation et les propriétés de ce nouveau matériau adsorbant l'eau dans un article récent publié dans The Journal of Physical Chemistry C. .
Les chercheurs ont fabriqué le FPPG sous la forme d’une structure sandwich fullerène-graphène-fullerène en ajoutant une solution de fullerène au graphène. Ils ont légèrement enduit la composition fullerène-graphène et l’ont laminée 1 à 10 fois. La nouvelle capacité de réglage de leur synthèse a permis un contrôle précis du remplissage de fullerène dans le graphène poreux.
Après avoir développé des structures FPPG avec différents taux de remplissage en fullerène, les chercheurs ont utilisé des techniques expérimentales et des simulations grand canoniques de Monte Carlo pour étudier leurs propriétés d'adsorption de vapeur d'eau. Ils ont découvert que 4 % de graphène rempli de fullerène n'adsorbait que légèrement la vapeur d'eau.
En augmentant le remplissage en fullerène à 5 %, la quantité d’adsorption a encore diminué, en raison de l’effondrement des nanopores dans le graphène poreux laminaire. Cependant, augmenter le taux de remplissage de près de 25 % a donné un résultat surprenant. "Le FPPG avec 25 ± 8 % de fullerène avait la plus grande capacité d'adsorption de vapeur d'eau à 40 % d'humidité relative en raison de la production de grands nanopores uniformes", explique le Dr Ohba.
L'augmentation supplémentaire du taux de remplissage en fullerène dans le FPPG, jusqu'à 50 % de fullerène, a diminué les capacités d'adsorption. Les simulations de Monte Carlo concordaient avec ces observations, révélant que la teneur excessive en fullerène réduisait les nanopores, ce qui empêchait la formation d'amas d'eau.
"La technique ascendante, ainsi que les structures de pores concevables et contrôlables du FPPG, peuvent faciliter le développement d'un plus grand nombre de nouveaux matériaux qui amélioreraient considérablement les performances des processus de purification et de concentration des gaz et des liquides", explique le Dr Ohba. "Cela réduirait considérablement les coûts de nombreux produits fabriqués via des processus de séparation."
Ensemble, de nouveaux carbones poreux tels que le FPPG pourraient potentiellement révolutionner les applications de stockage et de purification, les rendant plus économes en énergie et plus rentables.
Plus d'informations : Kai Haraguchi et al, Fabrication de graphène poreux à piliers de fullerène et son adsorption de vapeur d'eau, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI :10.1021/acs.jpcc.3c02394
Informations sur le journal : Journal de Chimie Physique C
Fourni par l'Université de Chiba
