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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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...), lui confèrent d'excellentes performances pour la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) 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 l'altitude, il est nécessaire de...), une séparation aujourd'hui coûteuse et polluante. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.


Vue de la nano-fenêtre au c?ur du plan de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), 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 propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) 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 diatomique diazote N2, constituant majoritaire...) à partir de l'air, récupération d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dans des sources diluées, traitement du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.)... 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 production...) 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...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) 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...) 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 bassin parisien, entre les confluents...) (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech/PSL University) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) Shinsh? (Nagano, Japon) ont montré que les défauts du graphène jouent un rôle favorable pour la séparation des molécules de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions...) (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 généralement constitué d'un...) 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) 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...) 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 particulier celle des mammifères qui...) 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 un sens commun. Plus précisément le...) 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 (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) 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 (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.), 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 électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) 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
 
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