Des scientifiques des matériaux de l’Université Rice et leurs collaborateurs ont développé un matériau qui utilise la lumière pour décomposer une gamme de polluants dans l’eau, y compris les substances per- et polyfluoroalkylées, ou PFAS, les « produits chimiques éternels » qui ont attiré l’attention en raison de leur omniprésence.
Le processus implique l’utilisation d’une classe de matériaux connus sous le nom de réseaux organiques covalents, ou COF, dont la structure poreuse ⎯ et donc la grande surface ⎯ les rend utiles dans les réactions induites par la lumière, ou photocatalytiques. Lorsqu’ils interagissent avec la lumière, certains électrons des molécules de COF se déplacent, formant des trous, et cette séparation des charges est ce qui fait des COF de bons photocatalyseurs.
Selon une étude publiée dans Materials Today, l’équipe de Rice a fait croître un matériau COF directement sur un film bidimensionnel de nitrure de bore hexagonal (hBN), donnant naissance à une surface hybride super-nettoyante qui n’a besoin que de lumière pour dégrader des polluants tenaces, y compris les déchets pharmaceutiques, les colorants et les PFAS.
« En combinant deux matériaux sûrs et légers d’une nouvelle manière, nous avons construit une surface puissante de lutte contre la pollution qui agit rapidement, agit sur de nombreux polluants différents et ne repose pas sur des métaux qui pourraient nuire à l’environnement », a expliqué Yifan Zhu, un chercheur postdoctoral au Département de science des matériaux et de nano-ingénierie de Rice et premier auteur de l’étude. « Cela est important car cela offre un moyen plus propre, moins cher et plus durable de protéger notre eau. »
Pour construire cette surface, les chercheurs ont dû trouver un moyen de combiner les deux matériaux, qui sont habituellement difficiles à attacher l’un à l’autre. Ils y sont parvenus en utilisant l’ingénierie des défauts, une technique qui introduit délibérément des défauts ou des imperfections dans un matériau pour engendrer de nouvelles propriétés ou comportements. Dans ce cas, l’équipe a gravé des « rayures » microscopiques sur la surface du hBN. Les imperfections ont servi de sites réactifs ancrant le COF au film de hBN et lui permettant de croître directement dessus. L’interface résultante dirige les électrons et les trous énergisés par la lumière dans des directions différentes, créant l’effet nettoyant.
« En les faisant croître directement ensemble plutôt que de simplement les mélanger, nous avons créé une structure connectée où les charges pouvaient voyager facilement sans être piégées », a déclaré Zhu. « Cette approche n’avait jamais été réalisée avec cette paire de matériaux, surtout parce que le hBN est généralement très difficile à modifier. »
Pour examiner les performances dans des conditions pratiques, l’équipe a testé le matériau dans des réacteurs à eau courante verticaux et horizontaux ⎯ reproduisant des configurations équivalentes dans les installations de traitement de l’eau. Le matériau a performé de manière constante sur des cycles de nettoyage répétés, maintenant sa structure et sa stabilité.
« Ces résultats montrent qu’un seul matériau, sans métal, peut s’attaquer à de multiples polluants difficiles à éliminer », a affirmé Jun Lou, un auteur correspondant de l’étude qui est le professeur Karl F. Hasselmann en science des matériaux et nano-ingénierie à Rice. « Cela nous rapproche de solutions pratiques et à faible coût pour une eau plus propre. »
Article : Covalent organic framework/hexagonal boron nitride heterostructure photocatalysts for efficient degradation of emerging contaminants – Journal : Materials Today – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U.
