Première zéolithe aluminosilicique stable présentant des mésopores intrinsèques

Les zéolithes sont des solides cristallins microporeux (pores < 1 nm) constitués principalement d'aluminium, de silicium et d'oxygène. Ce sont des matériaux inorganiques constitués de cavités et de pores capables de discriminer entre des espèces de tailles ayant un dixième de nanomètre de différence grâce à la sélectivité de forme de leurs pores. Grâce à ces propriétés physico-chimiques uniques, les zéolithes sont utilisées dans de nombreuses applications avec une demande mondiale atteignant plusieurs millions de tonnes par an. Elles jouent un rôle clé dans le craquage pétrochimique, l'échange d'ions (notamment pour l'adoucissement et la purification de l'eau), ainsi que dans la séparation et l'élimination de gaz et de solvants ce qui leur vaut le nom de « tamis moléculaires ». On les retrouve également en catalyse hétérogène qui met à profit leur importante surface d’interaction avec la matière et donc leurs propriétés catalytiques exceptionnelles.

Cependant, la très petite taille de leurs pores limite leur accessibilité pour des molécules de grande dimension (substrats volumineux comme dans le cas du traitement de la biomasse). Dans les processus catalytiques impliquant des molécules de ce type, leur diffusion à travers les micropores est souvent très lente car les molécules ont du mal à pénétrer ou à se déplacer à l'intérieur du réseau microporeux. Cette diffusion intracristalline constitue souvent une barrière à l'efficacité des réactions catalytiques.

Pour contourner cette difficulté, diverses approches ont été développées pour tenter d’introduire des mésopores intrinsèque (intra-cristallins) de plus grande taille (entre 2 et 50 nm) dans leur structure. On peut espérer ainsi combiner les avantages de la sélectivité et de la réactivité des micropores avec l'accessibilité améliorée par les mésopores. Hélas, ces mésopores sont souvent désorganisés, non uniformes et mal connectés à la porosité native des zéolithes. En outre, ils altèrent l'acidité, la cristallinité et d'autres propriétés intrinsèques du matériau. Enfin, les méthodes utilisées pour créer ces pores plus larges sont souvent nocives pour l'environnement, longues et coûteuses, aboutissant à des matériaux dont l'intérêt pratique reste limité en comparaison de la zéolithe initiale.

Dans ce contexte, une équipe de scientifiques du Laboratoire catalyse et spectroscopie (LCS - CNRS/ENSICAEN/Université de Caen) est parvenue à synthétiser une zéolithe d'aluminosilicate baptisée ZMQ-1 contenant des mésopores (2.3 nm) intrinséques, sans dénaturer sa structure et les autres propriétés physico-chimiques liées à ses pores. Pour cela, ils ont utilisé un agent directeur de structure* (OSDA) à base de phosphonium. Par rapport à ceux à base d'ammonium massivement utilisés dans la synthèse des zéolithes « classiques », les OSDA à base de phosphonium présentent une charge positive plus forte ainsi qu’une flexibilité qui favorisent la formation de zéolithes à très grands pores. De plus, les OSDAs à base de phosphonium montrent une stabilité hydrothermale supérieure et peuvent donc être utilisés dans des conditions de synthèse plus rudes.

Ces résultats pourraient, à très court terme, engendrer des retombées significatives dans le milieu industriel. Ces nouveaux matériaux ouvrent en effet des perspectives importantes dans des processus chimiques cruciaux pour la transition énergétique comme le passage des combustibles fossiles aux hydrocarbures renouvelables et biosourcés, l'optimisation et le recyclage des matières plastiques ou la conversion de la biomasse.

* Un agent de structure est une molécule (généralement organique) qui agit comme un "moule" ou "gabarit" autour duquel la structure cristalline de la zéolithe se forme.

Rédacteur : CCdM