Le nouveau MOF combine l’adsorption et la dissolution pour une séparation économe en énergie de l’oxygène et de l’argon

Une séparation efficace des gaz est vitale dans diverses industries, des applications médicales à la production d’énergie. Cependant, isoler l’oxygène des mélanges présente un défi technologique important. Étant donné que de nombreux gaz, dont l’argon et l’oxygène, partagent des propriétés physiques similaires, leur séparation est difficile.

Aujourd’hui, Ryotaro Matsuda et son équipe de l’Université de Nagoya ont développé une structure organométallique (MOF) poreuse unique, qui représente une nouvelle approche de la séparation des gaz : un phénomène combiné d’« adsorption » et de « dissolution » qu’ils appellent « l’adsorption- mécanisme de dissolution. Leurs conclusions sont publiées dans Communications naturelles.

Les techniques de séparation des gaz dépendaient traditionnellement de deux propriétés : la capacité des matériaux à adsorber les gaz dans des pores de taille nanométrique (adsorption) ou à dissoudre les gaz dans des liquides (dissolution). Cependant, chaque méthode présente des limites.

L’adsorption efficace des gaz par les solides poreux comme la zéolite et le charbon actif est entravée par leur incapacité à séparer sélectivement certains gaz, comme l’oxygène et l’argon, ce qui limite leurs utilisations potentielles. Certains liquides, en revanche, peuvent dissoudre efficacement les gaz, mais ils sont difficiles à manipuler dans les applications industrielles en raison de leur nature liquide.

Les MOF solides poreux sont souvent combinés avec des composés pour créer des matériaux hautement adsorbants. Matsuda et ses collaborateurs ont utilisé cette propriété pour combiner un matériau MOF avec des perfluorocarbures, des liquides ayant une forte affinité pour l’oxygène, créant ainsi un cadre qui adsorbe les molécules d’oxygène dans ses pores.

Les perfluorocarbures facilitent la dissolution, ce qui crée une puissante force d’adsorption-dissolution lorsqu’ils sont combinés avec un MOF, rendant la séparation des gaz beaucoup plus efficace et sélective.

“Les processus d’adsorption et de dissolution ont été reconnus comme des phénomènes fondamentalement distincts en raison de la nature différente des milieux utilisés, dans ce cas, des solides et des liquides”, a déclaré Matsuda. “Notre matériau a des pores densément remplis de chaînes perfluoroalkyle, ce qui crée une combinaison de comportements que nous appelons” comportement d’adsorption-dissolution “. “

Le groupe a utilisé avec succès son matériau pour séparer l’argon et l’oxygène, deux éléments généralement difficiles à séparer. Ils produisaient de l’oxygène pur, un élément aux nombreuses applications industrielles.

“Dans des industries comme la sidérurgie, l’oxygène d’une grande pureté est nécessaire pour la combustion et les réactions chimiques, tandis qu’en milieu médical, l’oxygène concentré est vital pour le traitement, en particulier pour les patients souffrant de problèmes respiratoires”, a déclaré Matsuda.

Le groupe espère que sa technologie sera utilisée dans des industries nécessitant une méthode économe en énergie pour concentrer l’oxygène de l’air. Comme ces processus consomment actuellement beaucoup d’énergie, leurs résultats pourraient réduire à la fois les coûts opérationnels et l’impact environnemental.

Dans le domaine médical, en particulier, l’enrichissement en oxygène peut améliorer les soins aux patients et réduire l’utilisation de réservoirs d’oxygène coûteux et encombrants.

Les applications potentielles de ce nouveau matériau vont au-delà de la séparation de l’oxygène.

“Le phénomène d’adsorption-dissolution pourrait être appliqué à d’autres tâches de séparation de gaz qui étaient auparavant considérées comme difficiles, telles que la séparation de l’azote, du dioxyde de carbone ou de l’hydrogène de mélanges complexes”, a déclaré Matsuda.

“La capacité de concentrer et de séparer efficacement les gaz ouvre la porte à de nouvelles technologies de gestion environnementale, telles que la capture et le recyclage des gaz à effet de serre nocifs, comme le CO.₂ou améliorer la technologie des piles à combustible en séparant efficacement l’hydrogène.

De plus, l’efficacité énergétique de ce matériau MOF s’aligne sur les initiatives mondiales de durabilité. Alors que le monde évolue vers une société décarbonée, il est crucial de trouver des moyens de réduire la consommation d’énergie dans les processus industriels.

Ce nouveau matériau, grâce à ses capacités efficaces et sélectives de séparation des gaz, pourrait jouer un rôle clé dans l’avancement des technologies vertes et la réduction de l’empreinte carbone des industries qui dépendent fortement de la séparation des gaz.