Une nouvelle façon de décontaminer l'eau et le gaz grâce à une nouvelle zéolite 3D à pores extra-larges

Une équipe internationale de chercheurs avec la participation du Conseil national de la recherche espagnol (CSIC) a créé la zéolite stable la plus poreuse connue à ce jour, une nouvelle zéolite de silice pure appelée ZEO-3. Cette zéolithe a été formée par une condensation topotactique sans précédent d'une chaîne de silicate 1D en une zéolithe 3D. Le processus est topotactique car la structure de la chaîne n'est pas altérée. Il peut être appliqué pour éliminer et récupérer les composés organiques volatils d'un flux gazeux qui peut même contenir de l'eau. Cette découverte, à laquelle ont contribué des scientifiques de l'Institut des sciences des matériaux de Madrid (ICMM-CSIC) et de l'Institut des nanosciences et des matériaux d'Aragon (INMA-CSIC-UNIZAR), est publiée dans la revue Science.

Les zéolites sont des silicates microporeux qui trouvent une grande variété d'applications comme catalyseurs, adsorbants et échangeurs de cations. Les zéolithes à base de silice stables et à porosité accrue sont très demandées pour permettre l'adsorption et le traitement de grandes molécules, "mais elles mettent au défi notre capacité de synthèse", explique Miguel Camblor, chercheur à l'ICMM et l'un des auteurs correspondants de la recherche.

Comme les pores des zéolithes ont la taille de petites molécules, il y a une limite à la taille des molécules que l'on peut traiter. C'est pourquoi on a toujours cherché des zéolites avec des pores plus grands et, en particulier, celles qui ont des pores en trois dimensions : "car lorsque vous avez un pore dans une seule direction, même s'il est grand, il est facile qu'il soit bloqué, mais si vous en avez dans toutes les dimensions, c'est difficile", souligne M. Camblor.

Après plus de 80 ans de recherches internationales approfondies dans ce domaine, cette équipe a créé la zéolithe stable la plus poreuse connue à ce jour. "Jusqu'à présent, les zéolithes à pores extra-larges n'étaient pas stables, car elles étaient fabriquées à partir de germanium au lieu de silicium", explique-t-il. Les zéolites stables précédentes pouvaient atteindre jusqu'à 7 angströms (1 angström est un cent-millionième de centimètre).

L'année dernière, cette équipe de chercheurs a publié un autre article dans Science à propos d'une nouvelle zéolite à base d'aluminium et de grands pores (ZEO-1). Maintenant, la nouvelle zéolite a une composition de silice pure. "Dans les deux zéolites, ZEO-1 et ZEO-3, il y a des pores qui atteignent plus de 10 angströms", explique Camblor.

Les particularités de la ZEO-3

Cette nouvelle zéolithe présente deux particularités : des pores extra-larges dans les trois dimensions et elle est formée par la synthèse par calcination d'un silicate à chaîne unidimensionnelle dans une condensation topotactique (ce qui signifie qu'elle a été faite sans changements dans cette chaîne).

"Cela n'avait jamais été vu auparavant", se félicite Camblor. "On connaissait des condensations topotactiques bidimensionnelles à tridimensionnelles, c'est-à-dire une chose qui était lamellaire et qui par un mécanisme similaire se condensait pour donner une zéolite, mais pas d'unidimensionnelle à tridimensionnelle", ajoute-t-il.

Après la création de cette zéolite, l'équipe, avec des chercheurs venant également de Suède, de Chine et des États-Unis, a commencé à expérimenter ses propriétés : "Comme il s'agit d'un matériau qui est de la silice pure, il n'a pas de capacité catalytique, mais il a la capacité d'absorber de très grandes choses. De gros trucs organiques", explique Camblor.

"Cette zéolithe peut être appliquée pour éliminer et récupérer les composés organiques volatils d'un flux gazeux qui peut même contenir de l'eau", explique-t-il. "Dans un site où des matières organiques volatiles nocives sont produites, il est possible de décontaminer et non seulement de les éliminer, mais aussi de récupérer le contaminant", illustre M. Camblor. Si les recherches se poursuivent, cette zéolite pourrait également être utile pour la catalyse et l'administration de médicaments.