Les fullerènes

Aug 08, 2023

Les chercheurs fabriquent du graphène poreux absorbant l'humidité à l'aide d'un processus ascendant, avec une grande capacité de conception et de contrôle des structures de pores

Université de Chiba

image : Le graphène poreux à piliers de fullerène avec un taux de remplissage de fullerène de 25 ± 8 % présentait des nanopores uniformes et la plus grande capacité d'adsorption de vapeur d'eau à 40 % d'humidité relative, avec des applications potentielles dans les processus de purification et de concentration de gaz et de liquides.Voir plus

Crédit : Tomonori Ohba de l’Université de Chiba

Les processus de séparation sont essentiels à la purification et à la concentration d'une molécule cible lors de la purification de l'eau, de l'élimination des polluants et du pompage de chaleur, représentant 10 à 15 % de la consommation mondiale d'énergie. Pour rendre les processus de séparation plus économes en énergie, une amélioration de la conception des matériaux poreux est nécessaire. Cela pourrait réduire considérablement les coûts énergétiques d’environ 40 à 70 %. La principale approche pour améliorer les performances de séparation consiste à contrôler avec précision la structure des pores. À cet égard, les matériaux carbonés poreux offrent un avantage distinct car ils sont composés d’un seul type d’atome et ont été bien utilisés pour les processus de séparation. Ils ont des volumes de pores et des surfaces importants, offrant des performances élevées en matière de séparation des gaz, de purification de l’eau et de stockage. Cependant, les structures poreuses présentent généralement une forte hétérogénéité et une faible possibilité de conception. Cela pose divers défis, limitant l'applicabilité des matériaux carbonés dans la séparation et le stockage. Désormais, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur agrégé Tomonori Ohba de l'Université de Chiba et comprenant des étudiants en maîtrise, M. Kai Haraguchi et M. Sogo Iwakami, a fabriqué du graphène poreux à piliers de fullerène (FPPG) – un composite de carbone comprenant des nanocarbones – en utilisant une approche ascendante avec des structures de pores hautement concevables et contrôlables. Ils détaillent la synthèse, la caractérisation et les propriétés de ce nouveau matériau adsorbant l’eau dans un article récent mis en ligne le 16 juin 2023 et publié dans le volume 127, numéro 25 du Journal of Physical Chemistry C le 29 juin 2023. Les chercheurs ont fabriqué le FPPG sous la forme d’une structure sandwich fullerène-graphène-fullerène en ajoutant une solution de fullerène au graphène. Ils ont légèrement enduit la composition fullerène-graphène et l’ont laminée 1 à 10 fois. La nouvelle capacité de réglage de leur synthèse a permis un contrôle précis du remplissage en fullerène dans le graphène poreux. Après avoir développé des structures FPPG avec différents taux de remplissage en fullerène, les chercheurs ont utilisé des techniques expérimentales et des simulations de Monte Carlo grandes canoniques pour étudier leurs propriétés d'adsorption de vapeur d'eau. Ils ont découvert que 4 % de graphène rempli de fullerène n’adsorbait que légèrement la vapeur d’eau. En augmentant le remplissage en fullerène à 5 %, la quantité d’adsorption a encore diminué, en raison de l’effondrement des nanopores dans le graphène poreux laminaire. Cependant, l’augmentation du taux de remplissage de près de 25 % a donné un résultat surprenant. « Le FPPG avec 25 ± 8 % de fullerène avait la plus grande capacité d'adsorption de vapeur d'eau à 40 % d'humidité relative en raison de la production de grands nanopores uniformes », souligne le Dr Ohba. En augmentant encore le taux de remplissage en fullerène dans le FPPG, jusqu'à 50 % de fullerène, diminue les capacités d’adsorption. Les simulations de Monte Carlo concordaient avec ces observations, révélant que la teneur excessive en fullerène réduisait les nanopores, ce qui empêchait la formation de grappes d'eau. « La technique ascendante, ainsi que les structures de pores concevables et contrôlables du FPPG, peuvent faciliter le développement de nouveaux matériaux de ce type qui amélioreraient considérablement les performances des processus de purification et de concentration des gaz et des liquides », spécule un Dr Ohba optimiste. « Cela réduirait considérablement les coûts de nombreux produits fabriqués via des processus de séparation. » Ensemble, de nouveaux carbones poreux tels que le FPPG pourraient potentiellement révolutionner les applications de stockage et de purification, les rendant plus efficaces sur le plan énergétique et plus rentables.