Des cristaux poreux ultra stables pour la capture du CO2 et la catalyse
Publié par Adrien le 22/05/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Cristaux poreux boostés par des liaisons chimiques fortes, les covalent organic frameworks (COF) accueillent de nouveaux membres dans leur famille grâce à des chercheurs du Laboratoire catalyse et spectrochimie (LCS, CNRS/ENSICAEN/Université Caen Normandie) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) Jilin en Chine dans le cadre d'un laboratoire international associé (LIA "Zéolithes"). Ces COF à base de polyaryléther (PAE) présentent une stabilité chimique hors norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à suivre. Ce...). Selon ces travaux, publiés dans Nature Chemistry, ils sont particulièrement adaptés à des applications de catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que...) dans des milieux très agressifs, ainsi que pour la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La...) de molécules, dont le CO2.


Structure des PAE-COF JuC-505 et JuC-506. © Guan et al.

Présents aussi bien dans le monde (Le mot monde peut désigner :) du vivant que dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de pointe, les cristaux sont formés par la répétition et l'agencement d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...), d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) ou d'un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) en un motif régulier. Dans les covalent organic frameworks (COF), ces motifs, des molécules organiques, sont en plus attachés à leurs voisins par une liaison covalente: le partage de deux électrons. Cela confère au 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 raison de...) une excellente stabilité chimique. Des chercheurs du Laboratoire catalyse et spectrochimie (LCS, CNRS/ENSICAEN/Université Caen Normandie), de l'université chinoise de Jilin et de l'université américaine du Delaware ont repoussé les limites des COF en concevant les premiers à base de polyaryléther (PAE), des polymères composés d'éthers cycliques.

Ces PAE-COF se présentent sous forme de cristaux poreux et offrent des avantages majeurs. D'abord, ils restent stables quelles que soient les conditions de pH et d'oxydoréduction. Leur stabilité chimique surpasse ainsi celle de tous les matériaux poreux, y compris les zéolithes pourtant très connues par leur stabilité. Ces nouveaux COF pourraient remplacer certains catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et...), un domaine où les variations de pH sont importantes. Puisqu'ils ne réagissent pas avec les produits auxquels ils sont mélangés, les PAE-COF sont particulièrement réutilisables et faciles à récupérer. Ils supportent cependant mal les températures supérieures à 300 degrés Celsius. Enfin, les PAE-COF fonctionnent comme d'excellents tamis moléculaires, afin de capturer des éléments et des espèces chimiques indésirables. Les chercheurs s'en sont servi avec succès pour enlever toutes traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du premier pilier de...) d'antibiotiques dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Les PAE-COF présentent ainsi les meilleures performances connues pour l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des...) et de 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...) sélective du CO2 et de l'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...) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) ambiante et à zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation positionnelle.) degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) Celsius. Deux 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...) qui doivent être séparés du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est principalement...), un gaz dont l'exploitation va augmenter.

Référence

Xinyu Guan, Hui Li, Yunchao Ma, Ming Xue, Qianrong Fang, Yushan Yan, Valentin Valtchev et Shilun Qiu.
Chemically stable polyarylether-based covalent organic frameworks.
Nature Chemistry, 08 April 2019.
https://doi.org/10.1038/s41557-019-0238-5
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