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Posté par Redbran le Samedi 12/05/2018 à 12:00
Le graphène ouvre des nano-fenêtres pour séparer l’oxygène de l’air
Des chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL University) et de l’Université Shinsh?"(Nagano, Japon) ont montré que les défauts dans la structure du graphène, créant des nano-fenêtres au sein des feuillets du matériau, lui confèrent d’excellentes performances pour la séparation de l’oxygène de l’air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...), une séparation aujourd’hui coûteuse et polluante. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.


Vue de la nano-fenêtre au cœur du plan de graphène, avec les molécules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) à proximité.
©François-Xavier Coudert

Production d’azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) à partir de l’air, récupération d’hydrogène dans des sources diluées, traitement du gaz naturel… Les industries chimiques font souvent usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de procédés de séparation, gazeuse ou liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). L’amélioration des performances en séparation et le design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une...) de nouvelles membranes pour la séparation moléculaire représentent donc une opportunité de rendre ces usages plus verts et moins coûteux. Dans ce cadre, des chercheurs de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech/PSL University) et de l’Université Shinsh?"(Nagano, Japon) ont montré que les défauts du graphène jouent un rôle favorable pour la séparation des molécules de dioxygène (O2) et de diazote (N2) de l’air.

Le graphène est un matériau bidimensionnel, constitué d'une unique couche d’atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) agencés en un réseau hexagonal, de type nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur progéniture. Les nids sont généralement fabriqués...) d’abeille. Ce matériau ultrafin, aux propriétés électroniques et mécaniques exceptionnelles, est connu notamment pour ses propriétés de séparation gazeuse. Les chercheurs ont étudié l’impact sur ces propriétés de défauts, naturellement présents à faible concentration et qui peuvent aussi être introduits de manière délibérée. Les défauts au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...) du graphène se présentent sous la forme de « nano-fenêtres ». La présence de ces fenêtres augmente la perméabilité de la membrane, c’est-à-dire le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans...) gazeux qui peut la traverser par unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), un paramètre clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) dans l’efficacité de séparation. La grande flexibilité de la fenêtre, qui se déforme localement pour laisser passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) les molécules, augmente encore cette perméabilité. D’autre part, les chercheurs ont montré que la présence sur le bord des fenêtres de groupements oxygénés crée un fort champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique local, qui confère une bonne sélectivité pour la séparation de l’air. Le matériau semble donc très prometteur, avec des performances meilleures que celles des membranes sans nano-fenêtre.


Fonctions chimiques présentes sur l’encadrement de la nano-fenêtre (gauche), et champ électrique local créé au sein de la fenêtre (droite).
© Fernando Vallejos-Burgos

Références publication:
Fernando Vallejos-Burgos, François-Xavier Coudert, Katsumi Kaneko
Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion
Nature Communications – Mai 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-04224-6

Contact chercheur:
- François-Xavier Coudert, IRCP UMR8247, Chimie ParisTech, PSL University

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Source: CNRS-INC