Le contrôle de la température de la taille des pores dans les nanomatériaux pourrait mener à de meilleures applications de séparation et de stockage des gaz.
Les chercheurs de l’Université de Kyoto ont conçu un matériau à base de cuivre à température contrôlée pour tamiser ou stocker différents types de gaz. Ce matériau, décrit dans la revue Science, pourrait servir de plan directeur pour le développement d’éléments nanoporeux ayant une grande variété d’applications énergétiques, médicales et environnementales.
Les nanomatériaux poreux actuellement utilisés pour la séparation et le stockage des gaz ne sont pas accordables : leurs pores sont persistants et rigides. Susumu Kitagawa, Nobuhiko Hosono et leurs collègues de l’Institut des sciences intégrées des cellules et des matériaux (iCeMS) de l’Université de Kyoto voulaient trouver un moyen de modifier dynamiquement la taille des pores dans ce type de matériau.
Ils ont conçu un polymère de coordination poreux formé d’atomes de cuivre liés par des ligands en forme de papillon faits d’acide isophtalique et de phénothiazine-5,5-dioxyde. Le matériau résultant était constitué de nanocages minuscules, chacun avec huit canaux saillants. A très basse température, les canaux reliant les nanocages étaient si étroits qu’ils étaient effectivement fermés. Au fur et à mesure que la température augmentait, les canaux s’ouvraient de plus en plus, permettant aux molécules de gaz de se déplacer entre les cages.
L’équipe a découvert qu’un gaz pouvait se déplacer ou s’enfermer dans le matériau en fonction de la taille des molécules du gaz et de la largeur des canaux du matériau à une température donnée. Ils ont également constaté que le matériau adsorbait un gaz à des températures élevées et le retenait lorsque les températures ambiantes étaient appliquées, stockant efficacement le gaz. L’adsorption est le fait de la rétention à la surface d’un solide des molécules d’un gaz ou d’une substance en solution ou en suspension. Au contraire, la désorption est l’émission de molécules de gaz ou de liquide préalablement adsorbées par la surface d’un solide.
De plus, lorsque les chercheurs ont appliqué des mélanges de gaz sur le matériau, ils ont constaté qu’ils pouvaient séparer les gaz en fonction de la température appliquée. Par exemple, le matériau a sélectivement adsorbé de l’oxygène lorsqu’un mélange gazeux de concentrations égales d’oxygène et d’argon a été appliqué pendant une heure à une température de -93°C et une pression d’un bar. Le matériau adsorbe sélectivement l’oxygène même lorsque la concentration d’argon dans le mélange est significativement plus élevée que celle de l’oxygène.
« Le système poreux présenté, qui utilise un cadre robuste avec une fonctionnalité moléculaire thermiquement active, permet l’adsorption/désorption de gaz à température régulée par conception, dans lequel la flexibilité locale à l’ouverture joue un rôle central « , concluent les chercheurs.
