Un matériau nanoporeux pour la purification du gaz naturel et de l'air à l'échelle industrielle ?

Véritables éponges de l'infiniment petit, les matériaux nanoporeux permettent notamment de capturer sélectivement des molécules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...), vapeur () ou de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), phénomène qui revêt un intérêt majeur dans de nombreux procédés industriels. Un consortium franco-coréen comprenant des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Charles Gerhardt Montpellier (CNRS/Université Montpellier/ENSCM), de l'Institut des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) poreux de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...) (CNRS/ENS/ESPCI) et du Laboratoire catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en...) et spectrochimie (CNRS/Normandie Université/ENSICAEN) a identifié un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou genres (croisement...) poreux cristallisé qui, une fois déshydraté, s'avère capable de purifier le gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.) et l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) en fixant sélectivement l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) gazeux en présence de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve...) ou d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). Publiés dans la revue Nature Materials, ces travaux permettent d'envisager des procédés industriels plus efficaces de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) de gaz.

La capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à...) de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2.) dans l'air ambiant, le stockage de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ou l'encapsulation (L'encapsulation en général est la notion de mettre une chose dans une autre. En imageant, on peut voir que cette chose est mise dans une capsule. En particulier, on peut retrouver...) de médicaments... Autant d'applications d'intérêt industriel majeur qui peuvent faire appel à des matériaux nanoporeux.... Ces matériaux peuvent en effet utiliser la grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) déployée dans leurs cavités microscopiques pour capter d'importantes quantités de molécules sur des sites spécifiques.

Un consortium franco-coréen a identifié un matériau hybride poreux cristallisé, communément appelé Metal-Organic Framework (Un framework est un espace de travail modulaire. C'est un ensemble de bibliothèques et de conventions permettant le développement rapide d'applications. Il fournit suffisamment de briques logicielles et impose...) (MOF), capable de fixer préférentiellement l'azote gazeux en présence de méthane ou d'oxygène. Ce sont des simulations moléculaires qui ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord permis de guider le choix de la nature du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) pour la fixation sélective de l'azote. Le MOF ainsi façonné est constitué de petites unités métalliques de Cr(III) associées à des ligands carboxylates qui forment des réseaux de cages de grande dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) (plus de 20 Angströms). Les molécules gazeuses d'azote peuvent ainsi pénétrer à l'intérieur et se fixer sur les centres métalliques en restant stables.

Des mesures d'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants...) réalisées sous flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) ont ensuite démontré que ce solide présente des performances exceptionnelles pour l'adsorption sélective de l'azote en présence de méthane ou d'oxygène et des simulations moléculaires sont parvenues à en décrire l'origine en confirmant le rôle clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre l'azote et les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) de Cr(III).

Ces résultats ont permis d'identifier pour la première fois un matériau facilement recyclable, capable de purifier le gaz naturel (notamment constitué majoritairement de méthane, mais en présence de concentrations élevées d'azote) sans utiliser les procédés couramment employés comme la cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses...), le plus souvent énergivores. Aucun solide poreux n'avait permis à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) de réaliser ce type de séparation en piégeant les molécules d'azote par interactions avec les atomes du pore. Ce même matériau présente par ailleurs des performances encore meilleures que les adsorbants employés commercialement pour la purification de l'air avec une pureté accrue et des quantités d'azote adsorbées plus de deux fois supérieures. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives à l'échelle industrielle pour la séparation de gaz.

Référence publication:
Ji Woong Yoon, Hyunju Chang, Seung-Joon Lee, Young Kyu Hwang, Do-Young Hong, Su-Kyung Lee, Ji Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de logiciels américain.) Lee, Seunghun Jang, Tae-Ung Yoon, Kijeong Kwac, Yousung Jung, Renjith S. Pillai, Florian Faucher, Alexandre Vimont, Marco Daturi, Gérard Férey, Christian Serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux éléments climatiques les cultures produites pour l'alimentation ou le plaisir de l'homme pour une...), Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Maurin, Youn-Sang Bae & Jong-San Chang
Selective nitrogen capture by porous hybrid materials containing accessible transition metal ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se...) sites
Nature Materials 19 Décembre 2016
DOI: 10.1038/NMAT4825

Contact chercheur:
Guillaume Maurin, Institut Charles Gerhardt Montpellier