Un laboratoire de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne a mis au point un procédé très performant permettant de séparer l’hydrogène et l’azote, un pas important pour la production d’hydrogène. L’article suivant est rédigé à partir d’un texte écrit par Nik Papageorgiou, du service communication de l’EPFL.
Les réseaux organométalliques ( Metal-Organic Framework ou MOF) sont dotés de pores à l’échelle nanométrique. Ces pores procurent aux MOF des surfaces spécifiques internes qui leur confèrent une polyvalence extrême pour des applications comme la séparation des produits pétrochimiques et des gaz, l imitation de l’ADN, la production d’hydrogène, l’extraction de métaux lourds, d’anions fluorures et même d’or à partir de l’eau.
Les MOF sont particulièrement intéressants pour la séparation de l’hydrogène de l’azote essentielle pour produire de l’énergie propre, améliorer l’efficacité des piles à combustible, la synthèse de l’ammoniac et plusieurs processus industriels. La séparation de l’hydrogène et de l’azote présente aussi des avantages pour l’environnement.
Des chercheuses et chercheurs sous la houlette du Pr Kumar Varoon Agrawal, de la Faculté des sciences de base de l’EPFL a mis au point un film MOF permettant des niveaux inégalés de séparation hydrogène-azote. Le réseau utilisé a été le réseau zéolitique d’imidazolate (ZIF) à fort potentiel dans les séparations moléculaires, la détection et d’autres applications.
Pour fabriquer les films, les scientifiques ont utilisé une méthode de cristallisation innovante qui tire parti de l’alignement précis des mélanges de précurseurs ultra-dilués avec le substrat cristallin sous-jacent. En contrôlant les concentrations de précurseurs et les interactions avec le substrat, l’équipe a pu supprimer la croissance hors plan – un problème fréquent dans la fabrication de films minces.
En l’espace de quelques minutes et à température ambiante, les scientifiques ont pu fabriquer des films ZIF bidimensionnels macroscopiquement uniformes et d’une épaisseur sans précédent (une seule unité structurelle mesurant uniquement deux nanomètres). Ils ont démontré que le processus évolutif permet de préparer des films d’une surface de plusieurs centaines de centimètres carrés. Cette avancée permet de dépasser les méthodes traditionnelles, qui ont limité l’épaisseur du film ZIF à 50 nanomètres, ce qui rend difficile son utilisation à grande échelle.
Le film ZIF présente une épaisseur de l’ordre du nanomètre et un ensemble uniforme de cycles de coordination zinc-imidazolate à six chaînons de criblage de l’hydrogène. Kumar Varoon Agrawal explique: «Cela permet une combinaison exceptionnelle de flux d’hydrogène et de sélectivité, offrant un immense potentiel pour des applications hautement efficaces de séparation des gaz.»
Autres contributeurs: Université Johns-Hopkins; Université des sciences et technologies du roi Abdallah; Université Soochow
Financements:
Conseil européen de la recherche; Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS); Département de l’Énergie des États-Unis; Université Soochow
RéférencesQi Liu, Yurun Miao, Luis Francisco Villalobos, Shaoxian Li, Heng-Yu Chi, Cailing Chen, Mohammad Tohidi Vahdat, Shuqing Song, Deepu J. Babu, Jian Hao, Yu Han, Michael Tsapatsis, Kumar Varoon Agrawal. Unit-cell-thick zeolitic imidazolate framework films for membrane application. Nature Materials 21 septembre 2023. DOI: 10.1038/s41563-023-01669-z
