Elaboration de nouveaux matériaux poreux aux propriétés d’adsorption accrues [ja]

L’originalité de ce travail repose sur l’élaboration de matériaux poreux à base de nanoparticules d’argiles bidimensionnelles auto-assemblées afin d’accroître leurs performances dans des applications en catalyse ou pour l’adsorption.

Vanessa Prévot (Institut de Chimie de Clermont-Ferrand ou ICCF de l’université Blaise Pascal) et Yasuaki Tokudome (Département en science des matériaux, École d’ingénieur de l’Université de la Préfecture d’Osaka) nous parlent de leur projet franco-japonais Sakura, soutenu par l’ambassade de France au Japon. Ce projet appartenant au domaine des matériaux, a bénéficié de deux années de financement.

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En quoi consiste votre projet ?

En science des matériaux, il est établi qu’un contrôle fin des processus et des paramètres de synthèse permet de maîtriser la porosité des matériaux en jouant sur la taille, la forme des particules ainsi que leurs propriétés d’assemblage. Autant d’aspects qui conditionnent fortement in-fine les propriétés chimiques et physiques des matériaux préparés et leurs performances. Aussi, depuis plusieurs années un intérêt tout particulier est porté par la communauté scientifique sur le développement de nouveaux procédés de synthèse association des procédés déjà largement répandus tels que les procédés de chimie douce et de sol – gel à de nouvelles stratégies de synthèse. L’objectif est de pouvoir moduler finement la taille et le volume des pores et d’accéder à des matériaux ayant des pores allant de quelques nanomètres au micron et éventuellement même d’induire au sein d’un même matériau, une porosité hiérarchisée. En effet, la présence de pores de différentes tailles permet d’accroître les performances des matériaux dans des domaines tels que la catalyse hétérogène ou encore l’adsorption.

Ce projet vise à développer une approche de synthèse générale permettant de préparer des phases de type Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) sous forme de monolithes macro/meso poreux et d’étudier ensuite les propriétés d’adsorption des argiles ainsi nanostructurées. L’adsorption de polluants et l’immobilisation d’enzymes pour des applications en biocatalyse seront plus particulièrement visées.

Rappelons que les argiles anioniques étudiées (HDL) sont des matrices lamellaires caractérisées par la présence d’anions échangeables dans le domaine interlamellaire. Ces matrices sont par conséquent des échangeurs anioniques possédant une forte capacité d’échange. Comparés aux argiles cationiques très répandus, les HDL présentent également l’intérêt d’être facilement synthétisables en laboratoire par des procédés de chimie douce. Divers travaux de la littérature ont mis en évidence la possibilité en jouant sur les procédés de synthèse, de nanostructurer ces matrices afin d’améliorer les performances dans de nombreux domaines d’application. Dans le laboratoire français, nous avons par exemple pu obtenir des morphologies intéressantes en présence d’acides aminés, des structures macroporeuses à porosité ordonnée grâce à l’utilisation de gabarits polymères ou encore des aérogels grâce à un séchage supercritique. Récemment, le groupe japonais associé à ce projet a également montré qu’il était possible de préparer des monolithes macroporeux associant une phase HDL et de l’hydroxyde d’Aluminium, ce grâce au phénomène de séparation de phase.

Quels résultats avez-vous obtenus à ce jour et quelles retombées attendez-vous ?

Au cours de la première année, la porosité a pu être contrôlée grâce à un séchage spécifique reposant sur l’utilisation de CO2 en conditions supercritiques. Dans le cadre général de l’élaboration de matériaux, les procédés de synthèse et de séchage utilisant des fluides en condition supercritique sont souvent utilisés en tant qu’outil pour accéder à des matériaux nanostructurés innovants. Les aérogels obtenus par ces procédés de séchage ne sont pas soumis aux forces de capillarité et peuvent être décrit comme des gels au sein desquels la phase liquide a été remplacée par de l’air. Ces aérogels sont caractérisés principalement par leur faible densité et des surfaces spécifiques importantes. Ils sont généralement constitués par l’association de nanoparticules formant un réseau ouvert et fortement poreux. Le séchage utilisant le CO2 supercritique est très répandu entre autre dans le cas de la préparation d’aérogels de silice principalement du fait de la non-toxicité, de la non inflammabilité et de l’abondance du CO2. La mise en œuvre de tels procédés pour des matrices de type HDL étudiée dans ce projet n’a jusqu’à présent quasiment pas été envisagée. Le séchage en conditions CO2 supercritique des monolithes d’HDL après un échange de solvant et un traitement hydrothermal a permis d’éviter le phénomène de rétrécissement observé lors du séchage par évaporation à l’air libre, et donc d’accéder à des domaines poreux plus grands. Les matériaux ainsi préparés ont pu être testés vis-à-vis de l’adsorption d’une protéine modèle : l’albumine de sérum bovin et ont démontré une nette augmentation de la capacité l’adsorption.

Au sein de ce projet, nous espérons pouvoir étendre les résultats déjà menées sur monolithes d’HDL à porosité modulable afin de mettre en évidence un contrôle encore supérieur des propriétés d’adsorption. Des monolithes de compositions chimiques variés seront préparés ainsi que des composés associant matrices inorganiques et matrices polymères afin de moduler les propriétés d’interface. Nous espérons ainsi pouvoir accéder à des capacités d’adsorption élevés qui conduiront au développement de membranes poreuses efficaces pour la dépollution des eaux ou encore pour l’immobilisation de biomolécules et des applications dans des procédés de biotechnologie.

Enfin d’un point de vue académique, afin de favoriser la réalisation de ce projet et les mobilités, l’établissement d’un laboratoire virtuel commun ainsi que l’établissement d’une convention entre l’Université Blaise Pascal (UBP) et l’Université de la Préfecture d’Osaka sont à l’étude.

Au niveau de retombées scientifiques attendues, un premier article en commun est en cours de finalisation et devrait être prochainement publié dans une revue internationale à comité de lecture de bon niveau. Parallèlement, ces travaux ont déjà été présenté dans deux conférences l’une nationale organisé en France et l’autre internationale organisé au Japon. D’autres publications et communications sont escomptées d’ici la fin du projet. Cette collaboration favorisera également la formation des scientifiques des deux pays à une approche différente de la recherche et à de nouvelles techniques scientifiques.

Pour ce qui est des collaborations futures, nous envisagerons à la suite de ce PHC de faire une demande de soutien dans le cadre des Projets de recherche conjoints (PCR) financé par le CNRS et le JSPS. Une première proposition devrait être soumise à l’automne 2016, afin d’assurer la continuité de la collaboration et du projet. Nous envisagerons également à l’automne 2016 de formaliser davantage notre collaboration au travers d’une thèse en cotutelle.

Que vous a apporté le partenariat Sakura ?

Cette collaboration est basée sur le partenariat d’expertises complémentaires en chimie du solide, chimie des procédés et processus d’adsorption, impliquant le laboratoire français de l’université Blaise Pascal (Institut de Chimie de Clermont-Ferrand ou ICCF) et un département de l’école d’ingénieur de la Osaka Prefecture University (Département en science des matériaux). Le PHC nous a permis de formaliser cette collaboration et de permettre les échanges entre les chercheurs et doctorants impliqués dans le projet. De plus le soutien financier du PHC Sakura, a permis la mobilité de jeunes chercheurs en formation (Master et doctorants) et d’étendre leur domaine de compétences, c’est aussi l’occasion pour les porteurs de renforcer les liens lors de discussions et de conférence organisées lors de séjour.

Pour en savoir plus

Le partenariat Sakura, soutenu par les ministères des affaires étrangères et du développement international (MAEDI) et de l’éducation nationale et de l’enseignement supérieur et de la recherche (MENESR) en France et par la JSPS (Japan Society for Promotion of Science) au Japon, vise à favoriser de nouvelles coopérations entre jeunes chercheurs et à développer les échanges scientifiques et techniques de haute qualité entre les universités et les institutions de recherche des deux pays.

dernière modification le 03/11/2016

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