Recyclage des déchets pétroliers en un nanogénérateur triboélectrique performant et durable

Un monument remarquable à Vancouver, au Canada, « The Big Yellow Sulfur Pile » témoigne des quantités massives de soufre élémentaire produites par le processus d’hydrodésulfuration du raffinage du pétrole.

En 2013, le groupe du professeur Pyun de l’Université d’Arizona a développé la vulcanisation inverse, une méthode permettant de synthétiser un polymère riche en soufre (SRP) contenant une teneur en soufre élémentaire de plus de 50 % en poids dans le squelette de ce nouveau polymère. Ce soufre élémentaire a été synthétisé sous forme de SRP chimiquement stable et à l’état solide en le copolymérisant avec un comonomère contenant une liaison π.

Les SRP ont généralement été utilisés pour fabriquer des optiques infrarouges (IR) à base de polymères en raison de leur transparence intrinsèquement élevée et de leur indice de réfraction élevé dans la région IR, remplaçant les matériaux IR typiques coûteux et fragiles comme Ge, ZnS et ZnSe. Au-delà de cette application optique, une équipe de recherche dirigée par le professeur Jeong Jae (JJ) Wie du département d’ingénierie organique et nano de l’université de Hanyang transforme désormais ce déchet jaune vif en une ressource précieuse pour l’énergie durable.

L’article est publié dans la revue Matériaux avancés.

Le nanogénérateur triboélectrique (TENG) est considéré comme un récupérateur d’énergie écologique prometteur qui convertit l’énergie mécanique gaspillée en électricité. Cependant, les TENG de pointe utilisent généralement des fluoropolymères qui ont un potentiel élevé de libération de substances per- et poly-fluoroalkylées (PFAS) dangereuses dans l’écosystème. Une fois absorbés par le corps humain, les PFAS peuvent y rester pendant de longues périodes en raison de leur structure chimique stable et peuvent entraîner de graves risques pour la santé tels que le cancer, des dommages au système immunitaire et des fausses couches.

Pour résoudre ce problème environnemental critique avec les TENG, l’équipe de recherche du professeur Wie a développé un nouveau TENG à base de polymère riche en soufre. L’utilisation du soufre élémentaire offre trois avantages en termes d’économie, de durabilité et de performances de sortie du TENG. Le soufre élémentaire est très bon marché mais possède une grande pureté car 7 millions de tonnes de soufre sont générées chaque année par le processus d’hydrodésulfuration en phase gazeuse. Le recyclage du soufre élémentaire offre de grands avantages en termes de durabilité, car les déchets de soufre élémentaire ont des utilisations limitées et posent d’importants problèmes de stockage.

Il est important de noter que le soufre élémentaire possède la plus grande affinité électronique, soit −200 kJ mol⁻¹supérieure à celle du carbone (−122 kJ mol⁻¹). L’affinité électronique est une mesure de l’énergie libérée lorsqu’un atome gagne un électron. Un atome avec une affinité électronique élevée favorise l’acquisition d’un électron et devient plus stable avec un niveau d’énergie inférieur qu’un atome avec une affinité électronique plus faible. Cela signifie que les polymères riches en soufre peuvent être d’excellents candidats pour les matériaux triboélectriques hautes performances car ils facilitent la génération de charges de surface.

Ce dernier développement s’appuie sur les recherches précédentes du groupe du professeur Wie de 2019 et 2021 portant sur les TENG à base de SRP. En 2019, l’équipe est devenue la première à introduire le TENG à base de SRP via la fluoration de surface du film SRP. Cette méthode a permis d’augmenter de 6 fois la tension et de 3 fois le courant par rapport aux TENG traditionnels à base de PTFE. Cependant, cette méthode reposait sur du fluor toxique et inflammable (F₂) gaz.

En 2021, l’équipe a développé un mélange à base de SRP montrant une localisation de surface du fluoropolymère par séparation de phase, ce qui évite les gaz toxiques en utilisant la séparation de phase. Cette technique a amélioré les performances du TENG sans utiliser de gaz fluoré toxique, permettant d’obtenir des augmentations de tension et de courant de 8 et 9 fois, respectivement, par rapport aux TENG à base de PTFE. Pourtant, malgré l’utilisation de seulement 7,5 % en poids du fluoropolymère, le TENG n’était pas entièrement exempt de PFAS.

Cette recherche fait progresser l’utilisation du SRP sans les préoccupations environnementales susmentionnées en intégrant le MXene, un nouveau nanomatériau 2D, avec des structures séparées. Les structures séparées permettent au composite SRP/MXene d’avoir une distribution uniforme avec une utilisation minimale du MXene inférieure à 0,5 % en poids tout en maximisant la surface interfaciale entre le MXene et la matrice SRP. Cette ingénierie structurelle est importante pour améliorer les charges accumulées à l’interface, qui sont essentielles pour des performances de sortie TENG élevées.

Enfin, le TENG à base de composite SRP/MXene a démontré une densité de puissance de pointe record de 3,80 W m⁻²ce qui représente une valeur 8,4 fois supérieure à celle du TENG basé sur SRP précédemment rapporté en 2022. Cette capacité lui permet d’alimenter directement les LED bleues connectées en série 558 et de charger efficacement les condensateurs, marquant ainsi une étape importante vers des applications pratiques dans divers domaines.

De plus, le TENG à base de composite SRP/MXene présente une recyclabilité exceptionnelle grâce à une propriété d’auto-réparation intrinsèque, ce qui permet un recyclage facile sans dégradation des performances. Cette recherche améliore non seulement les performances du TENG, mais fait également progresser considérablement la véritable durabilité sur le terrain. Le composite innovant SRP/MXene à structure séparée établit une nouvelle norme pour les technologies de récupération d’énergie verte.