Alors que nous nous tournons vers des combustibles plus durables, le gaz naturel et le biogaz, qui contiennent principalement du méthane (CH4), sont devenus des sources d’énergie et des matières premières importantes pour la production chimique. Cependant, ces gaz contiennent également des impuretés qui doivent être éliminées avant utilisation. L’un des principaux contaminants est le dioxyde de carbone (CO2), qui réduit le pouvoir calorifique du gaz et peut provoquer la corrosion des pipelines.
Une méthode prometteuse pour séparer efficacement le CO2 de ces gaz est la filtration à l’aide de membranes de graphène contenant des pores de taille nanométrique. Le graphène est particulièrement intéressant comme matériau de filtration en raison de sa résistance mécanique exceptionnelle et de sa stabilité chimique et thermique. Alors que le graphène vierge est naturellement imperméable aux gaz, l’introduction de pores lui permet de séparer sélectivement les molécules de gaz.
Des chercheurs de l’Université de Chiba, au Japon, dirigés par le professeur associé Tomonori Ohba, ainsi que Shunsuke Hasumi de la Graduate School of Science de la même université, ont démontré comment des membranes de graphène ultra-minces fonctionnalisées à l’oxygène peuvent séparer efficacement le CO2 du CH4. Leur étude a été mise en ligne le 8 décembre 2025 et sera publiée dans le volume 248 de la revue Carbon le 5 février 2026. Ces résultats offrent une voie potentielle vers des systèmes de purification de gaz de nouvelle génération.
« La séparation par membrane s’est imposée comme une technique prometteuse et respectueuse de l’environnement, offrant une sélectivité et une perméabilité élevées. Le graphène pourrait être une membrane de séparation des gaz extrêmement perméable ; cependant, sa mise en œuvre pratique et ses capacités de séparation nécessitent des améliorations supplémentaires », explique le professeur associé Ohba.
La taille des pores de la membrane de graphène s’est avérée cruciale pour une séparation efficace des gaz. Si les pores sont trop grands, le CO2 et le CH4 passent tous deux sans distinction. Pour étudier cet effet, les chercheurs ont mesuré l’écoulement du CO2 et du CH4 à travers des membranes de graphène montées dans un système de spectromètre de masse construit sur mesure. Parallèlement à ces expériences, ils ont mené des simulations informatiques détaillées qui ont suivi le mouvement des molécules de CO2 et de CH4 à travers des pores de graphène allant de 0,21 à 0,99 nanomètre. Ces calculs ont pris en compte les interactions moléculaires et les interactions de Coulomb à longue distance, permettant à l’équipe d’examiner systématiquement comment le diamètre des pores et la chimie de surface influencent la perméation des gaz.
Les résultats de la simulation ont montré que les membranes de graphène poreuses présentent une perméabilité extrêmement élevée, permettant aux gaz de passer très facilement. Cependant, lorsque la taille des pores dépassait environ 0,5 nanomètre, les membranes ont montré peu de capacité à distinguer le CO2 du CH4. Seuls les pores proches de 0,4 nanomètre ont présenté une sélectivité notable. Les tests expérimentaux ont confirmé cette tendance générale, bien que la perméabilité mesurée du CO2 ait été plus faible que celle prédite par les simulations, car les membranes expérimentales étaient composées de plusieurs couches de graphène au lieu d’une seule.
Un facteur clé expliquant la différence entre les simulations et les expériences était la présence de groupes fonctionnels oxygène sur les membranes de graphène réelles. Ces groupes contenant de l’oxygène se forment naturellement au niveau des défauts et des bords du graphène. Lorsque les chercheurs ont incorporé ces régions modifiées à l’oxygène dans leurs simulations, la membrane a permis au CO2 de passer plus facilement tout en le séparant plus efficacement du CH4.
Pour confirmer cela expérimentalement, les chercheurs ont traité des membranes de graphène avec un plasma d’oxygène, introduisant intentionnellement des groupes fonctionnels oxygène. Les membranes modifiées ont montré une performance de séparation nettement améliorée, correspondant étroitement aux résultats de la simulation.
La sélectivité accrue a été attribuée à des interactions plus fortes entre les molécules de CO2 et les groupes fonctionnels oxygène au niveau des bords des pores du graphène. Le CO2 est plus fortement attiré par ces sites oxygène que le CH4, ce qui lui permet de traverser la membrane plus facilement, même lorsque la taille des pores est relativement grande.
Les résultats démontrent que les membranes de graphène peuvent réaliser une séparation améliorée du CO2 et du CH4 tout en maintenant une perméabilité et des débits élevés, ouvrant la voie à des applications industrielles. « Une telle technologie pourrait conduire à une énergie moins chère et plus propre en rendant la purification du biogaz et du gaz naturel plus efficace, en réduisant les émissions de CO2 grâce à une séparation à haut rendement, et en diminuant l’énergie requise pour le traitement industriel des gaz », souligne le professeur associé Ohba.
Article : Enhancing the CO2/CH4 gas separation performance of graphene membranes via oxygen functionalization – Journal : Carbon – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Université de Chiba
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