Cette image offre une représentation visuelle abstraite de feuilles d’oxyde de graphène (couches noires) intégrées à des nanodiamants (points blancs brillants). Les nanodiamants exercent des forces électrostatiques de longue portée (cercles blancs nébuleux) qui stabilisent les feuilles même dans des conditions humides, créant ainsi un matériau de membrane prometteur pour la purification de l’hydrogène. Crédit : Yasuhiro Chida (Brocken 5) et Toru Tsuji (Photographie)
Les nanodiamants sont peut-être minuscules, mais ils peuvent aider à résoudre l’un des plus grands problèmes auxquels l’humanité est confrontée aujourd’hui : le changement climatique.
L’hydrogène, un combustible propre, ne laisse que de l’eau lorsqu’il est consommé. De nombreux pays considèrent l’hydrogène comme un moyen de parvenir à un avenir sans carbone, mais le passage à une économie de l’hydrogène exige que sa production soit beaucoup plus abordable qu’elle ne l’est actuellement.
Dans une étude publiée dans Nature Energy récemment, des chercheurs dirigés par l’Institut des sciences intégrées des cellules et des matériaux (iCeMS) de l’Université de Kyoto décrivent comment des membranes composites renforcées par des nanodiamants peuvent purifier l’hydrogène de ses mélanges humides, rendant les processus de production d’hydrogène beaucoup plus efficaces et rentables.
“Il existe plusieurs méthodologies évolutives pour produire de l’hydrogène, mais l’hydrogène se présente généralement sous forme de mélanges humides et leur purification est un défi”, explique le professeur Easan Sivaniah, qui a dirigé l’équipe iCeMS. “La technologie des membranes permet de mettre en place des processus de séparation efficaces sur le plan énergétique et économiques. Mais nous devons disposer des bons matériaux de membrane pour que cela fonctionne”, ajoute M. Sivaniah.
L’oxyde de graphène (GO), un dérivé hydrosoluble du graphite, peut être assemblé pour former une membrane qui peut être utilisée pour la purification de l’hydrogène. L’hydrogène gazeux passe facilement à travers ces filtres, tandis que les molécules plus grosses restent bloquées.
L’hydrogène est généralement séparé du CO2 ou O2 dans des conditions très humides. Les feuilles de GO sont chargées négativement, ce qui fait qu’elles se repoussent entre elles. Lorsqu’elles sont exposées à l’humidité, les feuilles chargées négativement se repoussent encore plus, ce qui permet aux molécules d’eau de s’accumuler dans les espaces entre les feuilles de GO, ce qui finit par dissoudre la membrane.
Le Dr Behnam Ghalei, qui a co-supervisé la recherche, a expliqué que l’ajout de nanodiamants aux feuilles de GO résout le problème de désintégration induit par l’humidité. “Les nanodiamants chargés positivement peuvent annuler les répulsions négatives de la membrane, rendant les feuilles de GO plus compactes et plus résistantes à l’eau.”
L’équipe comprenait également d’autres groupes de recherche du Japon et de l’étranger. Les chercheurs du Japan Synchrotron Radiation Research Institute (Super P& ; lt;/u>hoton ring& ; gt;-8 GeV" ;. Il appartient à RIKEN et est situé à Harima Science Garden City, dans la préfecture de Hyogo, au Japon.
;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>SPring-8 / JASRI) conducted advanced X-ray studies. The Institute for Quantum Life Science (QST) helped with materials development. ShanghaiTech University (China) and National Central University (Taiwan) were involved in state-of-the-art materials characterizations.
“In our collaboration with Dr. Ryuji Igarashi of QST, we were able to access nanodiamonds with well-defined sizes and functionality, without which the research would not have been possible,” says Sivaniah. “Importantly, Igarashi’s group has a patented technology to scale up nanodiamonds production at a reasonable cost in the future.”
Sivaniah says that nanodiamonds have potential uses beyond hydrogen production. Humidity control is also vital in a number of other fields, including pharmaceuticals, semiconductors, and lithium-ion battery production. Membrane technology could also revolutionize air conditioning by efficiently removing humidity. Air conditioners are among the most inefficient ways to cool, as a significant amount of the electricity used to power them is used to remove humidity, generating more CO2 emissions and creating a vicious spiral for global warming.
The Japanese government is deeply committed to a zero-carbon future. It has established a US$20 billion Green Innovation Fund to support joint partnerships between major industry players and entrepreneurial ventures that bring new technologies to the market.
Reference: “Overcoming humidity-induced swelling of graphene oxide-based hydrogen membranes using charge-compensating nanodiamonds” by Guoji Huang, Behnam Ghalei, Ali Pournaghshband Isfahani, H. Enis Karahan, Daiki Terada, Detao Qin, Conger Li, Masahiko Tsujimoto, Daisuke Yamaguchi, Kunihisa Sugimoto, Ryuji Igarashi, Bor Kae Chang, Tao Li, Masahiro Shirakawa and Easan Sivaniah, 16 December 2021, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00946-y
iCeMS at Kyoto University is one of the leading institutes in Japan for innovative approaches in engaging science to help society. Sivaniah is the founder of OOYOO, a start-up which aims to be instrumental in commercializing membrane technology for a zero-carbon future.
