Des chercheurs trouvent une solution flexible pour séparer les gaz
Pour un large éventail d’industries, la séparation des gaz constitue une partie importante du processus et du produit : depuis la séparation de l’azote et de l’oxygène de l’air à des fins médicales jusqu’à la séparation du dioxyde de carbone des autres gaz dans le processus de captage du carbone ou d’élimination des impuretés du gaz naturel.
La séparation des gaz peut toutefois être à la fois gourmande en énergie et coûteuse.
« Par exemple, pour séparer l’oxygène et l’azote, il faut refroidir l’air à très basse température jusqu’à ce qu’ils se liquéfient. Ensuite, en augmentant lentement la température, les gaz s’évaporent à différents endroits, ce qui permet à l’un d’eux de redevenir gazeux et de se séparer », explique Wei Zhang, professeur de chimie à l’université du Colorado à Boulder et président du département de chimie. « C’est une opération très gourmande en énergie et très coûteuse. »
Une grande partie de la séparation des gaz repose sur des matériaux poreux à travers lesquels les gaz passent et sont séparés. Cela aussi pose depuis longtemps un problème, car ces matériaux poreux sont généralement spécifiques aux types de gaz séparés. Essayez d’envoyer d’autres types de gaz à travers eux et ils ne fonctionnent pas.
Cependant, dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue ScienceZhang et ses collègues chercheurs ont décrit un nouveau type de matériau poreux capable d’accueillir et de séparer de nombreux gaz différents et fabriqué à partir de matériaux courants et facilement disponibles. De plus, il combine rigidité et flexibilité de manière à permettre la séparation des gaz en fonction de leur taille, à un coût énergétique considérablement réduit.
“Nous essayons d’améliorer la technologie”, explique Zhang, “et de l’améliorer de manière évolutive et durable”.
Ajout de flexibilité
Pendant longtemps, les matériaux poreux utilisés dans la séparation des gaz ont été rigides et basés sur une affinité spécifique aux types de gaz séparés. La rigidité permet aux pores d’être bien définis et aide à diriger les gaz dans la séparation, mais limite également le nombre de gaz pouvant passer à travers en raison des différentes tailles de molécules.
Pendant plusieurs années, Zhang et son groupe de recherche ont travaillé au développement d’un matériau poreux qui introduit un élément de flexibilité à un nœud de liaison dans un matériau poreux autrement rigide. Cette flexibilité permet aux lieurs moléculaires d’osciller ou de se déplacer d’avant en arrière à une vitesse régulière, modifiant ainsi la taille des pores accessibles dans le matériau et lui permettant de s’adapter à plusieurs gaz.
« Nous avons constaté qu’à température ambiante, le pore est relativement plus grand et que le liant flexible bouge à peine, de sorte que la plupart des gaz peuvent entrer », explique Zhang. « Lorsque nous augmentons la température de la température ambiante à environ 50 degrés (Celsius), l’oscillation du liant devient plus importante, ce qui entraîne une diminution de la taille effective des pores, de sorte que les gaz plus gros ne peuvent pas entrer. Si nous continuons à augmenter la température, davantage de gaz sont repoussés en raison de l’oscillation accrue et de la réduction supplémentaire de la taille des pores. Finalement, à 100 degrés, seul le plus petit gaz, l’hydrogène, peut passer. »
Le matériau développé par Zhang et ses collègues est composé de petites molécules organiques et s’apparente le plus à la zéolite, une famille de matériaux poreux et cristallins principalement composés de silicium, d’aluminium et d’oxygène.
“C’est un matériau poreux qui possède de nombreux pores très ordonnés”, dit-il. “Vous pouvez l’imaginer comme un nid d’abeilles. La majeure partie est constituée de matière organique solide avec ces pores de taille régulière qui s’alignent et forment des canaux.”
Les chercheurs ont utilisé un type relativement nouveau de chimie covalente dynamique axée sur la liaison bore-oxygène. En utilisant un atome de bore entouré de quatre atomes d’oxygène, ils ont tiré parti de la réversibilité de la liaison entre le bore et l’oxygène, qui peut se briser et se reformer encore et encore, permettant ainsi un comportement auto-correctif et sans erreur et conduisant à la formation de cadres structurellement ordonnés.
“Nous voulions construire quelque chose avec une adaptabilité, une réactivité et une adaptabilité, et nous avons pensé que la liaison bore-oxygène pourrait être un bon composant à intégrer dans le cadre que nous développions, en raison de sa réversibilité et de sa flexibilité”, explique Zhang.
Solutions durables
Le développement de ce nouveau matériau poreux a pris du temps.
Zhang explique : « Fabriquer ce matériau est facile et simple. La difficulté est apparue au tout début, lorsque nous avons obtenu le matériau pour la première fois et que nous avons dû comprendre ou élucider sa structure : comment se forment les liaisons, comment se forment les angles au sein de ce matériau, s’il est bidimensionnel ou tridimensionnel. Nous avons rencontré quelques difficultés car les données semblaient prometteuses, mais nous ne savions pas comment les expliquer. Elles montraient certains pics (diffraction des rayons X), mais nous ne pouvions pas immédiatement déterminer à quel type de structure ces pics correspondaient. »
Lui et ses collègues de recherche ont donc pris du recul, ce qui peut être une partie importante mais peu abordée du processus scientifique. Ils se sont concentrés sur le système modèle de petites molécules contenant les mêmes sites réactifs que ceux de leur matériau pour comprendre comment les éléments constitutifs moléculaires sont empilés dans un état solide, ce qui a contribué à expliquer les données.
Zhang ajoute que lui et ses collègues chercheurs ont envisagé l’évolutivité dans le développement de ce matériau, car ses utilisations industrielles potentielles nécessiteraient de grandes quantités, « et nous pensons que cette méthode est hautement évolutive. Les éléments de base sont disponibles dans le commerce et peu coûteux, de sorte qu’elle pourrait être adoptée par l’industrie lorsque le moment sera venu. »
Ils ont déposé une demande de brevet sur le matériau et poursuivent leurs recherches avec d’autres matériaux de base pour connaître la portée de cette approche en matière de substrat. Zhang dit également qu’il voit le potentiel de s’associer avec des chercheurs en ingénierie pour intégrer le matériau dans des applications basées sur la membrane.
« Les séparations membranaires nécessitent généralement beaucoup moins d’énergie, elles pourraient donc constituer à long terme des solutions plus durables », explique Zhang. « Notre objectif est d’améliorer la technologie pour répondre aux besoins de l’industrie de manière durable. »
Plus d’information:
Yiming Hu et al, Reconnaissance moléculaire avec une résolution inférieure à 0,2 angströms grâce à des oscillations thermorégulatrices dans des structures organiques covalentes, Science (2024). DOI : 10.1126/science.adj8791. www.science.org/doi/10.1126/science.adj8791
Fourni par l’Université du Colorado à Boulder
Citation: Des chercheurs trouvent une solution flexible pour séparer les gaz (27 juin 2024) récupéré le 27 juin 2024 sur
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