Comment capter l'eau de l'air
Des chercheurs décryptent le mécanisme d'adsorption sous-jacent d'un matériau microporeux spécial
Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l'Université de technologie de Dresde (TUD) ont élucidé le mécanisme d'adsorption de l'eau dans certains matériaux microporeux - appelés cadres métallo-organiques hiérarchiques (MOF) - en les sondant à l'échelle atomique. Découvertes il y a seulement 25 ans, leurs propriétés particulières leur ont rapidement valu la réputation de "matériaux miracles" qui, comme il s'avère, peuvent même capter l'eau de l'air. Dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces, les chercheurs décrivent comment le matériau y parvient.
"Ces matériaux très spéciaux sont des solides très poreux constitués de métaux ou d'amas métal-oxygène reliés de manière modulaire par des piliers de produits chimiques organiques. Cet arrangement en 3D conduit à des réseaux de cavités qui rappellent les pores d'une éponge de cuisine. Ce sont précisément ces cavités qui nous intéressent", explique le Dr Ahmed Attallah, de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR.
Ces pores nanométriques sont à la base d'une multitude d'applications potentielles, allant du stockage de gaz à la technologie de séparation, en passant par la catalyse et les nouveaux capteurs - la récupération de l'eau étant l'une des applications les plus prometteuses.
Sonder le vide
Pour ce faire, l'équipe a synthétisé deux MOF basés sur les métaux zirconium et hafnium, maintenus en place par la même structure organique. Les scientifiques ont ensuite approfondi les caractéristiques des matériaux obtenus en appliquant diverses techniques complémentaires. D'une part, ils ont déterminé la quantité d'azote ou de vapeur d'eau pouvant être piégée dans les pores du matériau. D'autre part, ils ont examiné de plus près le mécanisme exact d'adsorption de l'eau dans les MOF, qui n'était pas encore bien compris à ce jour. "Pour faire la lumière sur ce processus, nous avons utilisé une technique non destructive connue sous le nom de spectroscopie d'annihilation de positons (PALS), dans laquelle un positron interagit avec des électrons - ses antiparticules -, s'annihile et émet des rayons gamma qui peuvent être détectés. Le temps qui s'écoule entre l'émission de positrons provenant d'une source radioactive et la détection ultérieure de rayons gamma est la durée de vie des positrons. Celle-ci dépend à son tour de la vitesse à laquelle ils rencontrent les électrons", explique Andreas Wagner, directeur du centre ELBE pour les sources de rayonnement de haute puissance au HZDR.
En présence de vides dans le matériau, comme les nanopores, les positrons et les électrons ont tendance à former ce que l'on appelle des atomes de positronium, avec un électron et un positron chacun, en orbite autour de leur centre de masse commun, qui se dirigent l'un vers l'autre jusqu'à ce que la paire de particules soit dispersée ou annihilée, selon ce qui se produit en premier. Comme ces atomes exotiques vivent plus longtemps dans les grands vides, ils révèlent des informations sur la taille et la distribution des vides. Les chercheurs ont constaté que l'adsorption d'eau dans les MOF était principalement régie par un mécanisme de remplissage progressif, comprenant la formation de ponts liquides dans les pores. L'adsorption d'eau a été influencée par la formation d'amas d'eau à la surface des pores, ce qui a créé de petits vides d'air dans les pores.
Expulsion de l'air du désert
"En raison de l'étroite ressemblance chimique des métaux zirconium et hafnium, les cadres métallo-organiques obtenus ont exactement la même taille de pores et une grande stabilité chimique, ce qui nous a permis d'évaluer la validité de notre méthode en même temps", explique le professeur Stefan Kaskel, titulaire de la chaire de chimie inorganique I à l'université de technologie de Dresde. Les recherches de son groupe se concentrent sur le développement de nouveaux matériaux fonctionnels pour diverses applications, telles que le stockage et la conversion de l'énergie, la catalyse environnementale et l'adsorption de l'eau.
Sur la base des résultats obtenus, les chercheurs concluent que leur étude fournit de nouvelles informations sur le mécanisme d'adsorption de l'eau dans les MOF hiérarchiques, ce qui pourrait aider à concevoir de meilleurs matériaux pour la récupération de l'eau de l'air, ce qui est particulièrement important dans les régions arides. En exposant les MOF à l'air, ils peuvent capturer les molécules d'eau de l'atmosphère. Ensuite, en appliquant de la chaleur ou en réduisant la pression, l'eau peut être libérée et utilisée. Les scientifiques voient déjà plus loin : La technologie est-elle adaptée à des solutions commerciales ? 1,3 litre d'eau par kilogramme de MOF par jour à partir de l'air du désert, comme l'a rapporté un autre groupe sur le terrain, donne une idée de l'ampleur du rendement réalisable actuellement dans la pratique.
Toutefois, pour obtenir une solution globale durable, d'autres facteurs que le rendement doivent être pris en considération. "Pour développer la récupération de l'eau à l'aide de MOF, il faut que ces derniers soient accessibles à moindre coût et en grandes quantités. En outre, les voies de synthèse traditionnelles nécessitent de grandes quantités de solvants organiques ou l'acquisition de blocs de construction coûteux", soulignent Kaskel et Attallah en évoquant les pièges possibles dans cette entreprise. Pour les éviter, les procédures de synthèse dites "vertes", récemment mises au point, gagneront en importance à l'avenir, garantissant une production de MOF respectueuse de l'environnement. L'équipe de Dresde adhère déjà à cette idée en suivant les principes de la chimie verte, tels que l'utilisation de l'eau comme solvant, l'exécution des réactions à des températures basses économes en énergie et l'utilisation de déchets comme sources de métaux et d'agents de liaison organiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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