Des chercheurs ont mis au point des nanoéponges constituées de cadres organiques covalents (COF) sur du graphène, capables de filtrer efficacement les polluants industriels présents dans l’eau.
Des ingénieurs de l’université de Vienne en Autriche ont mis au point un nouveau matériau composite qui constitue un filtre efficace pour éliminer les polluants organiques de l’eau. Le système utilise des « nano-éponges » super-poreuses intégrées à une feuille de graphène.
La clé de ces nouveaux filtres réside dans une catégorie de matériaux appelés « cadres organiques covalents » (COF). Ces structures sont extrêmement poreuses, ce qui leur confère une surface massive contenue dans un petit espace, ce qui signifie qu’elles sont efficaces pour capter de grandes quantités de molécules. Des matériaux apparentés, connus sous le nom de cadres organométalliques (MOF : metal-organic frameworks), sont étudiés pour être utilisés dans le captage du carbone, le dessalement ou l’extraction d’eau potable de l’air libre, et les COF pourraient avoir un ensemble de fonctions similaires.
Pour cette nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur l’utilisation d’un COF pour éliminer les colorants organiques de l’eau. Ces produits chimiques sont un polluant commun des eaux usées industrielles, et peuvent être toxiques et cancérigènes, sans parler de leur difficulté à être éliminés.
L’équipe a modifié le COF pour qu’il s’accroche sélectivement aux molécules de colorants organiques. Pour cela, il faut que les pores aient la bonne forme et la bonne taille – entre 0,8 et 1,6 nanomètres – et que la surface soit chargée négativement pour attirer les molécules de colorant chargées positivement.
Mais il y avait un autre obstacle à surmonter. Lorsque le matériau est utilisé sous sa forme de poudre, les pores des bords extérieurs se remplissent d’abord de molécules, laissant ceux du centre vides et essentiellement inutiles. L’équipe a donc développé un moyen d’étaler le COF en le faisant pousser sur une feuille de graphène.
Un diagramme comparant le COF ordinaire en vrac à la version plus efficace cultivée sur du graphène.
Le résultat final est une couche de COF de deux nanomètres d’épaisseur sur une couche de graphène d’un seul atome, ce qui augmente la capacité maximale du matériau à contenir des molécules de colorant organique. Le graphène lui-même possède des pores assez larges, permettant à l’eau de s’écouler rapidement pendant que le COF fait son travail.
« Les grands pores du réseau de graphène, combinés à la couche ultra-mince de COF et à son grand nombre de sites d’adsorption, permettent donc un traitement particulièrement rapide et efficace des eaux usées », ont déclaré les chercheurs.
La technique devrait également être assez peu coûteuse, selon l’équipe. Il ne faut pas utiliser beaucoup de graphène, et le COF peut être nettoyé et réutilisé.
