Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et de l'Université de technologie de Dresde ont révélé le mécanisme d'absorption de l'eau dans certains matériaux microporeux – appelés cadres organométalliques hiérarchiques (MOF) – tout en les examinant à l'échelle atomique.

Découvertes il y a seulement 25 ans environ, leurs propriétés particulières leur ont rapidement valu la réputation de « matériau miracle » – qui s’avère même capable de récupérer l’eau de l’air. Des chercheurs Decrire Comment la matière y parvient-elle dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.

« Ces matériaux très particuliers sont des solides très poreux constitués de métaux ou d'amas métal-oxygène reliés de manière modulaire par des piliers de produits chimiques organiques. Cet agencement tridimensionnel donne lieu à des réseaux de cavités rappelant les pores d'une éponge de cuisine. C'est précisément le Dr Ahmed Atallah de l'Institut de radiophysique du HZDR : « Ce sont ces cavités qui nous intéressent. »

Ces nanopores constituent la base d'un large éventail d'applications potentielles, du stockage des gaz à la technologie de séparation, en passant par la catalyse et les nouveaux capteurs, la récupération de l'eau étant l'une des plus prometteuses.

Sonder le vide

L’équipe a fabriqué deux MOF à base de zirconium et d’hafnium métalliques, maintenus en place par le même MOF. Ensuite, les scientifiques ont approfondi les propriétés des matériaux obtenus en appliquant diverses techniques complémentaires.

D’une part, ils ont déterminé la quantité d’azote ou de vapeur d’eau pouvant être piégée dans les pores du matériau. D’autre part, ils ont examiné de plus près le mécanisme exact de l’absorption d’eau dans les MOF, qui n’était pas bien compris jusqu’à présent.

« Pour faire la lumière sur ce processus, nous avons utilisé une technique non destructive connue sous le nom de spectroscopie de durée de vie d'annihilation de positons, ou en abrégé PALS, dans laquelle les positrons interagissent avec des électrons – leurs antiparticules – annihilant ainsi, puis libérant des rayons gamma qui peuvent être ELBE à grande échelle. sources de rayonnement énergétique en HZDR : « détectables ».

« Le temps entre l'émission de positrons émanant d'une source radioactive et la détection ultérieure de rayons gamma correspond à la durée de vie des positrons. Elle dépend à son tour de la rapidité avec laquelle les électrons se rencontrent. »

S'il y a des vides dans le matériau, tels que des nanopores, les positrons et les électrons ont tendance à former ce qu'on appelle des atomes de positronium, avec un électron et un positron chacun, en orbite autour d'un centre de masse commun, se dirigeant droit l'un vers l'autre jusqu'à ce que la paire de Les molécules sont soit dispersées, soit détruites, selon la première éventualité.

Puisque ces atomes exotiques vivent plus longtemps dans des vides plus grands, ils révèlent des informations sur la taille et la répartition du vide. Les chercheurs ont découvert que l’absorption d’eau dans les MOF était principalement régie par un mécanisme de remplissage progressif, incluant la formation de ponts liquides dans les pores. L’absorption de l’eau était affectée par la formation d’amas d’eau à la surface des pores, créant de petits trous d’air dans les pores.

Sortie d'air du désert

« En raison de la similitude chimique étroite entre le zirconium et l'hafnium, les structures métallo-organiques résultantes ont exactement les mêmes tailles de pores et une stabilité chimique élevée, ce qui nous permet d'évaluer en même temps la validité de notre méthode », explique le professeur Stefan Kaskel, Directeur du premier département de chimie inorganique de l'université de Dresde, pour la technologie. Les recherches de son groupe se concentrent sur le développement de nouveaux matériaux fonctionnels pour diverses applications, telles que le stockage et la conversion d'énergie, l'écocatalyse et l'absorption d'eau.

Sur la base des résultats, les chercheurs ont conclu que leur étude fournit de nouvelles informations sur le mécanisme d'absorption de l'eau dans les MOF hiérarchiques, ce qui pourrait aider à concevoir de meilleurs matériaux pour collecter l'eau de l'air, ce qui est particulièrement important dans les régions arides. En exposant les MOF à l’air, ils peuvent capter les molécules d’eau de l’atmosphère. Ensuite, en appliquant de la chaleur ou en réduisant la pression, l’eau peut être libérée et utilisée.

Les scientifiques réfléchissent déjà à l’avenir : la technologie est-elle adaptée aux solutions commerciales ? Comme l'a rapporté un autre groupe dans le domaine, l'obtention de 1,3 litre d'eau par kilogramme de MOF par jour à partir de l'air du désert donne une idée de l'ampleur du rendement pratique qui peut actuellement être obtenu.

Cependant, pour une solution globale durable, d’autres facteurs doivent être pris en compte autres que le rendement. « Pour augmenter la récupération de l'eau à l'aide de MOF, ils doivent être disponibles en grandes quantités et à faible coût. De plus, les méthodes de synthèse traditionnelles nécessitent de grandes quantités de solvants organiques ou des éléments de base coûteux », Caskell et Atallah soulignent les pièges potentiels de cette entreprise.

Pour éviter cela, les procédures de synthèse dites « vertes » récemment développées prendront de l’ampleur à l’avenir, garantissant la production de MOF respectueux de l’environnement.

L'équipe de Dresde s'est déjà engagée dans cette idée en suivant les principes de la chimie verte, tels que l'utilisation de l'eau comme solvant, la réalisation de réactions à basse température économe en énergie et l'utilisation de déchets comme sources de minéraux et de liaisons organiques.