Le graphène ouvre des nano-fenêtres pour séparer l’oxygène de l’air

Résultats scientifiques
Matériaux

Des chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL University) et de l’Université Shinshū (Nagano, Japon) ont montré que les défauts dans la structure du graphène, créant des nano-fenêtres au sein des feuillets du matériau, lui confèrent d’excellentes performances pour la séparation de l’oxygène de l’air, une séparation aujourd’hui coûteuse et polluante. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.

Production d’azote à partir de l’air, récupération d’hydrogène dans des sources diluées, traitement du gaz naturel… Les industries chimiques font souvent usage de procédés de séparation, gazeuse ou liquide. L’amélioration des performances en séparation et le design de nouvelles membranes pour la séparation moléculaire représentent donc une opportunité de rendre ces usages plus verts et moins coûteux. Dans ce cadre, des chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech/PSL University) et de l’Université Shinshū (Nagano, Japon) ont montré que les défauts du graphène jouent un rôle favorable pour la séparation des molécules de dioxygène (O2) et de diazote (N2) de l’air.

Le graphène est un matériau bidimensionnel, constitué d'une unique couche d’atomes de carbone agencés en un réseau hexagonal, de type nid d’abeille. Ce matériau ultrafin, aux propriétés électroniques et mécaniques exceptionnelles, est connu notamment pour ses propriétés de séparation gazeuse. Les chercheurs ont étudié l’impact sur ces propriétés de défauts, naturellement présents à faible concentration et qui peuvent aussi être introduits de manière délibérée. Les défauts au sein du graphène se présentent sous la forme de « nano-fenêtres ». La présence de ces fenêtres augmente la perméabilité de la membrane, c’est-à-dire le flux gazeux qui peut la traverser par unité de temps, un paramètre clef dans l’efficacité de séparation. La grande flexibilité de la fenêtre, qui se déforme localement pour laisser passer les molécules, augmente encore cette perméabilité. D’autre part, les chercheurs ont montré que la présence sur le bord des fenêtres de groupements oxygénés crée un fort champ électrique local, qui confère une bonne sélectivité pour la séparation de l’air. Le matériau semble donc très prometteur, avec des performances meilleures que celles des membranes sans nano-fenêtre.

 

Vue de la nano-fenêtre au cœur du plan de graphène, avec les molécules de gaz à proximité.  ©François-Xavier Coude
Vue de la nano-fenêtre au cœur du plan de graphène, avec les molécules de gaz à proximité.

©François-Xavier Coude

 

 

Fonctions chimiques présentes sur l’encadrement de la nano-fenêtre (gauche), et champ électrique local créé au sein de la fenêtre (droite). © Fernando Vallejos-Burgos
Fonctions chimiques présentes sur l’encadrement de la nano-fenêtre (gauche), et champ électrique local créé au sein de la fenêtre (droite).

© Fernando Vallejos-Burgos

 

 

Références

Fernando Vallejos-Burgos, François-Xavier Coudert, Katsumi Kaneko 
Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion
Nature Communications – Mai 2018
DOI : 10.1038/s41467-018-04224-6

 

 

Contact

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Chargée de communication
Stéphanie Younès
Responsable Communication
Christophe Cartier dit Moulin
INC & Institut parisien de chimie moléculaire