Lorsqu'Ange Nzihou, un expert dans la conversion des déchets de la société en produits de valeur, s'est rendu à Princeton en 2022, il a apporté avec lui une technique permettant de transformer les déchets de biomasse en graphène, un matériau aux multiples utilisations, des batteries aux cellules solaires. Il savait que son approche utilisant un catalyseur au fer non toxique offrait des avantages par rapport aux méthodes existantes reposant sur des produits chimiques dangereux, des métaux précieux ou des combustibles fossiles.
Il n'y avait qu'un seul problème :Nzihou ne savait pas exactement comment fonctionnait le processus.
"Dans mon travail d'ingénieur chimiste, je m'intéresse souvent aux propriétés finales des matériaux et à la manière dont elles peuvent être appliquées au monde réel", a déclaré Nzihou, professeur distingué de génie chimique à l'IMT Mines Albi - CNRS en France. a visité Princeton dans le cadre du programme Fulbright Visiting Scholar. "Mais si vous souhaitez optimiser les propriétés des matériaux que vous produisez, vous devez comprendre ce qui se passe aux échelles nanométrique et atomique pour provoquer la transformation."
C'est là que Claire White, professeure agrégée de génie civil et environnemental au Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, est intervenue.
En tant qu'hôte du corps professoral de Nzihou, White a apporté son expertise dans la caractérisation des matériaux à l'échelle nanométrique et atomique pour découvrir le mécanisme qui a permis au fer de contribuer à convertir la biomasse résiduelle en graphène.
Le résultat n'a pas été seulement deux articles, le premier publié dans ChemSusChem et l'autre en Nanomatériaux appliqués , qui détaillent le mécanisme et la promesse de l'utilisation du fer comme catalyseur pour transformer les déchets de biomasse, tels que les copeaux de bois et autres biomasses riches en cellulose, en matériaux carbonés à valeur ajoutée. Il s'agissait également d'un tremplin pour une collaboration continue entre les deux groupes, une collaboration qui combinait l'expertise de chaque groupe pour ajouter de nouvelles dimensions à leurs programmes de recherche.
Le graphène, une feuille de carbone pur d'un seul atome d'épaisseur, est généralement fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur, un processus fréquemment utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs pour produire des revêtements uniformes. Cependant, Nzihou a déclaré que le dépôt chimique en phase vapeur repose souvent sur des produits chimiques dangereux et des technologies coûteuses. De même, il a déclaré que les alternatives à la production de graphène utilisent généralement des matériaux toxiques ou d'un coût prohibitif, ainsi que l'utilisation de sources à base de pétrole.
À la recherche d’un moyen respectueux de l’environnement de produire du graphène, Nzihou et White se sont tournés vers des sources de biomasse sous-utilisées comme matière première pour le processus. Malheureusement, la majeure partie de cette biomasse est riche en cellulose, un polymère abondant présent dans les parois cellulaires des plantes. La cellulose s'est avérée difficile à convertir en matériaux carbonés hautement ordonnés tels que le graphène sans l'utilisation de catalyseurs toxiques ou de métaux de terres rares en raison de la structure et de la disposition de ses liaisons chimiques.
Mais Nzihou a découvert qu’un catalyseur à base d’oxyde de fer pourrait faire l’affaire. En insérant du fer dans la biomasse et en le chauffant dans un environnement limité en oxygène grâce à un processus connu sous le nom de carbonisation, Nzihou a démontré qu'il était possible de transformer la biomasse riche en cellulose en un matériau final comportant de vastes régions de feuilles de graphène ordonnées.
"Ange avait montré qu'il était possible d'utiliser le fer comme catalyseur", a déclaré White. "Mais la vraie question était de comprendre comment le fer assurait ce comportement catalytique."
White s'est tournée vers son expertise en caractérisation atomique et à l'échelle nanométrique pour trouver la réponse. En utilisant des techniques telles que la diffusion totale des rayons X, la spectroscopie Raman, la microscopie électronique à transmission et les mesures magnétiques, les chercheurs ont découvert qu'au cours du processus de chauffage, le catalyseur d'oxyde de fer se décomposait d'abord pour former des nanoparticules dans la biomasse. Lorsque la biomasse riche en cellulose a commencé à se dissoudre à des températures plus élevées, elle a précipité sous forme de couches de feuilles de graphène à la surface des particules de fer.
"Nous avons pu observer cette coquille ordonnée d'atomes de carbone qui s'est formée autour de ces nanoparticules de fer au cours du processus", a déclaré White.
Il est intéressant de noter que Nzihou et White ont découvert que quelques nanoparticules de fer plus grosses soutenaient des régions de formation de graphène plus étendues que de nombreuses nanoparticules plus petites, un indice utile qui pourrait éclairer les efforts futurs visant à intensifier le processus de transformation de la biomasse résiduelle en graphène. Les chercheurs continuent également d'affiner le processus pour augmenter la taille des régions de graphène pur tout en réduisant le nombre de défauts dans le matériau final.
"Maintenant que nous comprenons le mécanisme, nous pouvons comprendre comment améliorer le processus et optimiser les propriétés des feuilles de graphène par rapport à la méthode conventionnelle de dépôt chimique en phase vapeur, et même envisager des moyens de l'étendre dans un avenir proche." dit Nzihou. "Parce qu'en fin de compte, notre travail consiste à développer des matériaux carbonés avancés respectueux de l'environnement tout en bouclant la boucle du carbone et en atténuant les émissions de dioxyde de carbone."
Les chercheurs ont déclaré que le projet leur a permis de tirer parti de l'expertise de chacun pour faire progresser le domaine de l'utilisation durable du carbone, et le partenariat initial s'est depuis intégré à plusieurs projets de recherche en cours.
"Cela a été une collaboration passionnante", a déclaré White. "Je ne me serais jamais vu travailler sur ces matériaux carbonés durables, mais ces projets avec Ange ont fourni une excellente opportunité d'élargir mon travail et d'ajouter de nouvelles dimensions à mes recherches."
Pour Nzihou, son séjour en tant que boursier Fulbright en visite s’est avéré n’être qu’un aperçu de ce qui est à venir. Il reviendra au Centre Andlinger en mars 2024 en tant que chercheur invité Gerhard R. Andlinger pour continuer à explorer les moyens de transformer des sources sous-utilisées de biomasse en matériaux carbonés avancés dotés de propriétés spécifiques pour des applications allant de l'agriculture au stockage d'énergie et au CO2<. /sous> séquestration.
Avec White, il prévoit d'élargir la portée de son travail en unissant l'expertise d'autres membres du corps professoral de Princeton tels que Craig Arnold, Michele Sarazen et Rodney Priestley pour développer une stratégie d'utilisation durable du carbone. Il vise également à collaborer avec le Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) pour explorer l'utilisation des plasmas pour alimenter divers processus de production.
Le premier article, « Synthèse et croissance du graphène vert à partir du biochar révélé par les propriétés magnétiques du catalyseur de fer », a été publié en novembre 2022 dans ChemSusChem. . Le deuxième article, "Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications", a été publié en février 2023 dans Applied Nano Materials. .
Plus d'informations : Amel C. Ghogia et al, Synthèse et croissance du graphène vert à partir de biochar révélées par les propriétés magnétiques du catalyseur de fer, ChemSusChem (2022). DOI :10.1002/cssc.202201864
Lina M. Romero Millán et al, Nanoparticules de fer pour catalyser la graphitisation de la cellulose pour les applications de stockage d'énergie, Nanomatériaux appliqués par ACS (2023). DOI :10.1021/acsanm.2c05312
Fourni par l'Université de Princeton
