Aéré et efficace
Les aérogels sont des matériaux extraordinaires qui ont établi des records Guinness mondiaux plus d'une douzaine de fois, notamment en tant que solides les plus légers du monde.
Le professeur Markus Niederberger, du Laboratoire des matériaux multifonctionnels de l'ETH Zurich, travaille depuis longtemps sur ces matériaux spéciaux. Son laboratoire est spécialisé dans les aérogels composés de nanoparticules semi-conductrices cristallines. «Nous sommes le seul groupe au monde capable de produire ce type d'aérogel avec une qualité aussi élevée», explique-t-il.
Les aérogels à base de nanoparticules sont notamment utilisés comme photocatalyseurs. Ils sont utilisés lorsqu'une réaction chimique doit être activée ou accélérée grâce à la lumière du soleil, par exemple pour la production d'hydrogène.
Le matériau de choix pour les photocatalyseurs est le dioxyde de titane (TiO2), un semi-conducteur. Mais le TiO2 présente un inconvénient majeur: il ne peut absorber que la partie UV de la lumière solaire, soit environ 5% du spectre. Pour que la photocatalyse soit efficace et utile sur le plan industriel, le catalyseur doit être capable d'utiliser une gamme plus large de longueurs d'onde.
Élargir le spectre grâce au dopage à l'azote
C'est pourquoi Junggou Kwon, une doctorante de Markus Niederberger, a cherché une nouvelle façon d'optimiser un aérogel composé de nanoparticules de TiO2. Et elle a eu une idée géniale: si l'aérogel de nanoparticules de TiO2 est «dopé» (pour utiliser le terme technique) avec de l'azote, de sorte que les atomes d'oxygène individuels du matériau sont remplacés par des atomes d'azote, l'aérogel peut alors absorber d'autres parties visibles du spectre. Le processus de dopage laisse la structure poreuse de l'aérogel intacte. L'étude de cette méthode a récemment été publiée dans la revue Applied Materials & Interfaces.
Junggou Kwon a d'abord produit l'aérogel en utilisant des nanoparticules de TiO2 et de petites quantités de palladium, un métal noble qui joue un rôle clé dans la production photocatalytique d'hydrogène. Elle a ensuite placé l'aérogel dans un réacteur et l'a imprégné de gaz ammoniac. Les atomes d'azote se sont alors intégrés dans la structure cristalline des nanoparticules de TiO2.
Un aérogel modifié rend la réaction plus efficace
Pour vérifier si un aérogel ainsi modifié augmente effectivement l'efficacité d'une réaction chimique souhaitée - dans ce cas, la production d'hydrogène à partir de méthanol et d'eau - Junggou Kwon a mis au point un réacteur spécial dans lequel elle a directement placé le monolithe d'aérogel. Elle a ensuite introduit une vapeur d'eau et de méthanol dans l'aérogel placé dans le réacteur avant de l'irradier avec deux lampes LED. Le mélange gazeux se diffuse à travers les pores de l'aérogel, où il est transformé en hydrogène souhaité à la surface des nanoparticules de TiO2 et de palladium.
Junggou Kwon a arrêté l'expérience au bout de cinq jours, mais jusqu'à ce moment-là, la réaction était stable et se déroulait sans interruption dans le système d'essai. «Le processus aurait probablement été stable plus longtemps», déclare Markus Niederberger. «Surtout en ce qui concerne les applications industrielles, il est important qu'il soit stable aussi longtemps que possible.» Le groupe de recherche a également été satisfait des résultats de la réaction. L'ajout du palladium, un métal noble, a considérablement augmenté l'efficacité de la conversion: l'utilisation d'aérogels contenant du palladium a produit jusqu'à 70 fois plus d'hydrogène que l'utilisation d'aérogels sans palladium.
Augmentation du débit de gaz
Cette expérience a surtout servi d'étude de faisabilité. En tant que nouvelle classe de photocatalyseurs, les aérogels présentent une structure tridimensionnelle exceptionnelle et offrent un potentiel pour de nombreuses autres réactions intéressantes en phase gazeuse, outre la production d'hydrogène. Par rapport à l'électrolyse couramment utilisée aujourd'hui, les photocatalyseurs présentent l'avantage de pouvoir être utilisés pour produire de l'hydrogène en utilisant uniquement la lumière plutôt que l'électricité.
On ne sait pas encore si l'aérogel mis au point par le groupe de Markus Niederberger sera un jour utilisé à grande échelle. Par exemple, il reste à savoir comment accélérer le flux de gaz à travers l'aérogel; pour l'instant, les pores extrêmement petits entravent trop le flux de gaz. «Pour exploiter un tel système à l'échelle industrielle, nous devons d'abord augmenter le flux de gaz et améliorer l'irradiation des aérogels», explique Markus Niederberger. Lui et son groupe travaillent déjà sur ces questions.
Un matériau comme une fumée gelée
Les aérogels sont des matériaux exceptionnels. Extrêmement légers et poreux, ils présentent une surface énorme: un gramme de ce matériau peut avoir une surface allant jusqu'à 1 200 mètres carrés. En raison de leur transparence, les aérogels ont l'apparence d'une fumée gelée. Ils sont d'excellents isolants thermiques et sont donc utilisés dans les applications aérospatiales et, de plus en plus, dans l'isolation thermique des bâtiments. Cependant, leur fabrication nécessite encore une énorme quantité d'énergie, de sorte que les matériaux sont chers. Le premier aérogel a été produit à partir de silice par le chimiste Samuel Kistler en 1931.
