Le potentiel des carbones poreux pour une efficacité énergétique accrue

Les processus de séparation sont fondamentaux dans diverses applications, notamment la purification de l’eau, l’élimination des polluants et le pompage thermique, responsables de 10 à 15% de la consommation énergétique mondiale. L’impact potentiel qu’aurait une amélioration de l’efficacité énergétique de ces procédés sur notre monde serait énorme.

C’est précisément le sujet de cet article, qui se penche sur une innovation majeure dans la conception des matériaux poreux, promise à changer la donne.

Les processus de séparation exigent une concentration précise d’une molécule cible, ce qui nécessite généralement une amélioration du design des matériaux poreux. En effet, une telle amélioration pourrait drastiquement réduire les coûts énergétiques, de l’ordre de 40 à 70%. La première approche pour optimiser la performance des séparations est de contrôler précisément la structure des pores.

Dans ce contexte, les matériaux carbones poreux offrent des avantages distincts. Ils sont constitués d’un seul type d’atome et ont été largement utilisés pour les processus de séparation. Grâce à leurs grands volumes de pores et surfaces, ils affichent une performance élevée en matière de séparation des gaz, de purification de l’eau et de stockage.

Cependant, leurs structures poreuses présentent généralement une forte hétérogénéité avec une faible capacité de conception, limitant ainsi leur applicabilité dans la séparation et le stockage.

Le Graphène à pores avec pilier de fullerène

Une équipe de chercheurs japonais, menée par le professeur associé Tomonori Ohba de l’Université de Chiba et comprenant les étudiants en master, M. Kai Haraguchi et M. Sogo Iwakami, a mis au point un Graphène à pores avec pilier de fullerène (FPPG) – un composite de carbone constitué de nanocarbones – en utilisant une approche « bottom-up » avec des structures de pores hautement concevables et contrôlables.

Les chercheurs ont fabriqué le FPPG sous la forme d’une structure sandwich fullerène-graphène-fullerène en ajoutant une solution de fullerène au graphène. Ils ont ensuite légèrement enrobé la composition de fullerène-graphène et l’ont laminée de 1 à 10 fois. Cette capacité de réglage novatrice dans leur synthèse a permis un contrôle précis du remplissage de fullerène dans le graphène poreux.

Caractéristiques et propriétés

Après avoir développé des structures de FPPG avec différents ratios de remplissage de fullerène, les chercheurs ont utilisé des techniques expérimentales et des simulations de Monte Carlo en grand canonical pour examiner leurs propriétés d’adsorption de la vapeur d’eau. Ils ont constaté qu’un graphène rempli de 4% de fullerène adsorbait seulement légèrement la vapeur d’eau.

Le professeur Ohba souligne que le « FPPG avec 25 ± 8% de fullerène avait la plus grande capacité d’adsorption de la vapeur d’eau à 40% d’humidité relative grâce à la production de nanopores uniformes de grande taille« .

Cependant, augmenter davantage le ratio de remplissage de fullerène dans le FPPG, jusqu’à 50% de fullerène, diminuait les capacités d’adsorption.

En synthèse

Le professeur Ohba, optimiste, spécule que « la technique bottom-up, associée aux structures de pores concevables et contrôlables du FPPG, peut faciliter le développement de nouveaux matériaux qui amélioreraient considérablement la performance des processus de purification et de concentration des gaz et des liquides. Cela réduirait considérablement les coûts de nombreux produits fabriqués via des processus de séparation ».

Ainsi, de nouveaux carbones poreux tels que le FPPG pourraient potentiellement transformer les applications de stockage et de purification, les rendant plus éco-énergétiques et rentables.

Pour une meilleure compréhension

• Qu’est-ce que le FPPG ?
  Le Graphène à pores avec pilier de fullerène (FPPG) est un composite de carbone constitué de nanocarbones. Il a été mis au point en utilisant une approche « bottom-up » avec des structures de pores hautement concevables et contrôlables.

• Quel est l’avantage du FPPG ?
  Le FPPG offre une capacité d’adsorption de la vapeur d’eau significative, grâce à la production de nanopores uniformes de grande taille. Il présente un potentiel pour améliorer l’efficacité des processus de purification et de concentration.

• Quelle est la méthode de fabrication du FPPG ?
  Le FPPG est fabriqué par l’addition d’une solution de fullerène au graphène, suivi d’un enrobage léger et d’une lamination. Cette méthode permet un contrôle précis du taux de remplissage de fullerène dans le graphène poreux.

Les chercheurs détaillent la synthèse, la caractérisation et les propriétés de ce nouveau matériau absorbant l’eau dans un article récent paru dans The Journal of Physical Chemistry : « Fabrication of Fullerene-Pillared Porous Graphene and Its Water Vapor Adsorption ».