Alors que le monde se tourne vers l’énergie propre, la purification efficace de l’hydrogène est primordiale. Les membranes polymères conventionnelles pour la séparation des gaz sont souvent confrontées à un compromis entre perméabilité et sélectivité. Bien que les membranes fabriquées à partir de matériaux poreux cristallins (CPM) soient très prometteuses, leur fabrication nécessite généralement des procédures complexes.
Une équipe de recherche dirigée par les professeurs Daofeng Sun et Zixi Kang de l’Université du Pétrole de Chine (Est de la Chine) a réalisé une avancée significative. Ils ont développé une simple stratégie de traitement en solution « pose de briques et coulage de mortier » pour créer une nouvelle membrane composite tout-nanoporeuse (ANC) à base de cadre métallo-organique/cadre organique à liaisons hydrogène (MOF/HOF). L’étude a été publiée dans la revue « Nano Research ».
« Nous pouvons considérer les nanofeuillets de MOF comme des « briques », d’abord empilés de manière ordonnée. Ensuite, la solution de monomère HOF est versée comme du « mortier », remplissant les interstices entre les briques et cristallisant pour former une membrane composite dense et sans défaut », a expliqué le professeur Daofeng Sun, auteur principal de l’étude. « L’essentiel est que les surfaces des briques MOF induisent efficacement la nucléation préférentielle du mortier HOF sur elles, permettant la formation d’une membrane continue même à de faibles concentrations de monomère. »
L’innovation cruciale réside dans l’utilisation des MOF comme sites d’hétéro-nucléation pour contrôler précisément la cristallisation du HOF, ce qui est mis en évidence par l’influence de la morphologie et de la taille des MOF sur le traitement en solution des HOF. En optimisant systématiquement des paramètres comme la concentration en monomère HOF et la température d’évaporation du solvant, les chercheurs ont supprimé la nucléation homogène indésirable du HOF et favorisé une nucléation hétérogène bénéfique sur les surfaces MOF. Cela a permis d’atteindre un équilibre entre la force motrice de nucléation, le taux de fixation moléculaire et l’offre et la demande de nutriments.
La membrane composite optimisée a démontré des performances exceptionnelles de séparation de l’hydrogène. « Par rapport à la membrane HOF vierge, notre meilleure membrane ANC a montré une amélioration de 562 % de la perméance à l’hydrogène, ainsi qu’une amélioration de 241 % de la sélectivité hydrogène/méthane », a déclaré le professeur Zixi Kang, auteur co-correspondant. « Plus remarquable encore, la membrane hérite du comportement sensible à la pression du matériau HOF. La perméance à l’hydrogène a augmenté de manière spectaculaire de 3 233 GPU à 1,2 bar à 9 842 GPU à 2,0 bar, tout en maintenant une sélectivité élevée (30,01). »
Ce travail présente non seulement une membrane de séparation de l’hydrogène haute performance, mais établit également une stratégie d’ingénierie d’hétéro-nucléation générale pour construire des membranes ANC avec une architecture hiérarchique robuste de type « mortier et brique ». Cette approche marie la processabilité en solution des polymères avec la porosité ordonnée des CPM, ouvrant une nouvelle voie pour développer des membranes de séparation avancées pour des applications énergétiques et environnementales.
Article : Scientists Build High-Performance Hydrogen Separation Membranes with « Mortar-and-Brick » Design – Journal : Nano Research – DOI : Lien vers l’étude
Source : Tsinghua U.
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