Une séparation de l'hydrogène record grâce à des films ultraminces

Les réseaux organométalliques (metal-organic framework ou MOF) constituent une catégorie de matériaux dotés de pores à l’échelle nanométrique. Ces pores procurent aux MOF des surfaces spécifiques internes qui dépassent tous les records, ce qui leur confère une polyvalence extrême pour un certain nombre d’applications dont les suivantes: séparation des produits pétrochimiques et des gaz, imitation de l’ADN, production d’hydrogène et extraction de métaux lourds, d’anions fluorures et même d’or à partir de l’eau.

Dans le domaine de la séparation des gaz, les MOF sont particulièrement intéressants pour séparer l’hydrogène de l’azote, ce qui est essentiel pour produire de l’énergie propre, pour améliorer l’efficacité des piles à combustible, pour la synthèse de l’ammoniac et pour divers processus industriels. La séparation de l’hydrogène et de l’azote présente également un certain nombre d’avantages pour l’environnement, ce qui la rend indispensable pour faire progresser les technologies et les pratiques industrielles durables.

Une équipe de chercheuses et chercheurs sous la houlette du professeur Kumar Varoon Agrawal de la Faculté des sciences de base de l’EPFL a mis au point un film MOF ayant la plus petite épaisseur possible et capable d’atteindre des niveaux inégalés de séparation hydrogène-azote. Ces chercheuses et chercheurs ont travaillé avec un type de MOF appelé réseau zéolitique d’imidazolate (ZIF). Celui-ci suscite un grand intérêt en raison de son potentiel dans les séparations moléculaires, la détection et d’autres applications.

Schéma montrant la cristallisation simple d’un film ZIF 2D par immersion d’un substrat dans une solution de précurseur ultradiluée à température ambiante (à gauche). À droite: structure cristalline du ZIF 2D où les atomes blancs, bleus et rouges représentent les atomes de carbone, d’azote et de zinc. Crédit: Qi Liu, EPFL.

Pour fabriquer les films, les chercheuses et chercheurs ont utilisé une méthode de cristallisation innovante qui tire parti de l’alignement précis des mélanges de précurseurs ultradilués avec le substrat cristallin sous-jacent. En contrôlant soigneusement les concentrations de précurseurs et les interactions avec le substrat, l’équipe est parvenue à supprimer la croissance hors plan – un problème fréquent dans la fabrication de films minces.

L’approche a porté ses fruits: en l’espace de quelques minutes et à température ambiante, les scientifiques ont réussi à fabriquer des films ZIF bidimensionnels (2D) macroscopiquement uniformes et d’une épaisseur sans précédent (une seule unité structurelle mesurant uniquement deux nanomètres). Les scientifiques ont également démontré que le processus est évolutif et 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 configuration unique: 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.»