La séparation des gaz est essentielle dans de nombreux secteurs industriels, mais elle implique souvent des processus à forte intensité énergétique, tels que le refroidissement des gaz pour les liquéfier, puis les séparer en fonction de leur température d'évaporation. Cependant, le professeur Wei Zhang et son équipe de l'Université du Colorado à Boulder ont mis au point un nouveau type de matériau poreux flexible, durable et économe en énergie. Ce matériau peut ajuster la taille de ses pores à différentes températures pour permettre le passage sélectif de certains gaz, ce qui pourrait révolutionner la manière dont les gaz sont séparés et réduire l'énergie globale requise pour ces processus.
Un nouveau matériau poreux permet une séparation efficace des gaz à faible consommation d’énergie et est évolutif pour une utilisation industrielle, offrant une alternative durable aux méthodes traditionnelles.
La séparation des gaz joue un rôle crucial dans diverses industries, depuis les applications médicales, où l'azote et l'oxygène sont séparés de l'air, jusqu'aux processus environnementaux comme la capture du carbone, où le dioxyde de carbone est isolé des autres gaz, et la purification du gaz naturel en éliminant les impuretés.
La séparation des gaz peut toutefois être à la fois coûteuse et gourmande en énergie. « Par exemple, pour séparer l’oxygène et l’azote, il faut refroidir l’air à très basse température jusqu’à ce qu’ils se liquéfient. Ensuite, en augmentant lentement la température, les gaz s’évaporent à différents endroits, ce qui permet à l’un d’eux de redevenir gazeux et de se séparer », explique Wei Zhang, professeur de chimie à l’université du Colorado à Boulder et président du département de chimie. « C’est une opération très gourmande en énergie et très coûteuse. »
La séparation des gaz repose en grande partie sur des matériaux poreux à travers lesquels les gaz passent et sont séparés. Cela aussi pose depuis longtemps problème, car ces matériaux poreux sont généralement spécifiques aux types de gaz séparés. Essayez d'envoyer d'autres types de gaz à travers eux et ils ne fonctionnent pas.
Cependant, dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Science, Zhang et ses co-chercheurs décrivent un nouveau type de matériau poreux capable d'accueillir et de séparer de nombreux gaz différents et fabriqué à partir de matériaux courants et facilement disponibles. De plus, il combine rigidité et flexibilité de manière à permettre la séparation des gaz en fonction de leur taille à un coût énergétique considérablement réduit.
« Nous essayons d’améliorer la technologie », explique Zhang, « et de l’améliorer d’une manière évolutive et durable. »
Ajout de flexibilité
Pendant longtemps, les matériaux poreux utilisés dans la séparation des gaz ont été rigides et basés sur l'affinité, c'est-à-dire spécifiques aux types de gaz séparés. La rigidité permet aux pores d'être bien définis et aide à diriger les gaz lors de la séparation, mais limite également le nombre de gaz qui peuvent passer à travers en raison des tailles de molécules variables.
Pendant plusieurs années, Zhang et son groupe de recherche ont travaillé à la mise au point d'un matériau poreux qui introduit un élément de flexibilité dans un nœud de liaison dans un matériau poreux par ailleurs rigide. Cette flexibilité permet aux lieurs moléculaires d'osciller, ou de se déplacer d'avant en arrière à une vitesse régulière, modifiant la taille des pores accessibles dans le matériau et lui permettant de s'adapter à plusieurs gaz.
« Nous avons constaté qu’à température ambiante, le pore est relativement plus grand et le liant flexible bouge à peine, de sorte que la plupart des gaz peuvent pénétrer », explique Zhang. « Lorsque nous augmentons la température de la température ambiante à environ 50 degrés (Celsius), l'oscillation du lieur devient plus grande, ce qui entraîne une diminution de la taille effective des pores, de sorte que les gaz plus gros ne peuvent pas entrer. Si nous continuons à augmenter la température, davantage de gaz sont détournés en raison de l'oscillation accrue et de la réduction supplémentaire de la taille des pores. Finalement, à 100 degrés, seul le plus petit gaz, l'hydrogène, peut passer.
Le matériau développé par Zhang et ses collègues est constitué de petites molécules organiques et s’apparente à la zéolite, une famille de matériaux poreux et cristallins principalement composés de silicium, d’aluminium et d’oxygène. « C’est un matériau poreux qui possède de nombreux pores très ordonnés », explique-t-il. « On peut l’imaginer comme un nid d’abeilles. La majeure partie est constituée de matière organique solide avec ces pores de taille régulière qui s’alignent et forment des canaux. »
Les chercheurs ont utilisé un type assez nouveau de chimie covalente dynamique qui se concentre sur la liaison bore-oxygène. En utilisant un bore atome avec quatre atomes d'oxygène autour d'eux, ils ont profité de la réversibilité de la liaison entre le bore et l'oxygène, qui peut se rompre et se reformer encore et encore, permettant ainsi un comportement autocorrecteur et sans erreur et conduisant à la formation de cadres structurellement ordonnés.
« Nous voulions construire quelque chose avec une capacité de réglage, de réactivité et d'adaptabilité, et nous avons pensé que la liaison bore-oxygène pourrait être un bon composant à intégrer dans le cadre que nous développions, en raison de sa réversibilité et de sa flexibilité », explique Zhang.
Des solutions durables
Le développement de ce nouveau matériau poreux a pris du temps, explique Zhang : « La fabrication du matériau est simple et facile. La difficulté est apparue au tout début, lorsque nous avons obtenu le matériau pour la première fois et que nous avons dû comprendre ou élucider sa structure : comment les liaisons se forment, comment les angles se forment au sein de ce matériau, s'il est bidimensionnel ou tridimensionnel. Nous avons rencontré quelques difficultés car les données semblaient prometteuses, mais nous ne savions pas comment les expliquer. Elles montraient certains pics (diffraction des rayons X), mais nous ne pouvions pas immédiatement déterminer à quel type de structure ces pics correspondaient. »
Lui et ses collègues de recherche ont donc pris du recul, ce qui peut être une partie importante mais peu évoquée du processus scientifique. Ils se sont concentrés sur le système modèle de petites molécules contenant les mêmes sites réactifs que ceux de leur matériau pour comprendre comment les blocs de construction moléculaires s'assemblaient dans un état solide, ce qui a contribué à expliquer les données.
Zhang ajoute que lui et ses collègues chercheurs ont envisagé l’évolutivité dans le développement de ce matériau, car ses utilisations industrielles potentielles nécessiteraient de grandes quantités, « et nous pensons que cette méthode est hautement évolutive. Les éléments de base sont disponibles dans le commerce et peu coûteux, de sorte qu’elle pourrait être adoptée par l’industrie le moment venu. »
Ils ont déposé un brevet sur ce matériau et poursuivent leurs recherches avec d’autres matériaux de base pour découvrir la portée de cette approche en termes de substrat. Zhang dit également qu’il voit un potentiel de partenariat avec des chercheurs en ingénierie pour intégrer le matériau dans des applications à base de membranes.
« Les séparations membranaires nécessitent généralement beaucoup moins d’énergie, elles pourraient donc constituer à long terme des solutions plus durables », explique Zhang. « Notre objectif est d’améliorer la technologie pour répondre aux besoins de l’industrie de manière durable. »
