Nouveau matériau polymère polyvalent
Un piège à métaux très efficace et un élément constitutif des batteries écologiques
Des chercheurs de l'université d'Ulm ont mis au point un matériau organique aux propriétés exceptionnelles : Ce nouveau polymère peut récupérer de manière extrêmement efficace des métaux précieux comme l'or ou le palladium à partir de solutions, séparer des semi-métaux toxiques et rendre en outre les batteries plus écologiques. La teneur élevée en soufre et la structure spongieuse de ce polymère thioorthoester sont inhabituelles. Les résultats du projet mené dans le cadre du cluster d'excellence POLiS (Post Lithium Storage) ont été publiés dans Angewandte Chemie Novit. Cette nouvelle revue publie exclusivement des travaux exceptionnels.
L'illustration montre la structure du matériau spongieux avec les deux applications dans une cathode de batterie (à gauche) et pour le dépôt d'ions métalliques (à droite).
Dr. J. Richers, Dr. C. Kühne
La particularité du matériau blanc et floconneux développé par le groupe de recherche du professeur Max von Delius de l'Institut de chimie organique de l'Université d'Ulm est une teneur en soufre exceptionnellement élevée d'environ 50 pour cent et une surface fortement fissurée.
"Notre matériau est basé sur une classe de réactions qui n'était pas utilisée jusqu'à présent dans la chimie des polymères - ce que l'on appelle la chimie des thioorthoesters", explique von Delius. "On utilise pour cela des molécules qui sont composées d'un atome de carbone et de trois atomes de soufre, comme un trépied. Cette composition confère naturellement au matériau une teneur en soufre extrêmement élevée et entraîne une forte réticulation au sein du polymère. Celle-ci assure une grande stabilité, une insolubilité dans l'eau et une structure de surface extrêmement fragmentée". Alors que la teneur élevée en soufre était un objectif des chercheurs, la texture poreuse comparable à celle d'une éponge naturelle est apparue plutôt par hasard au cours de la synthèse et s'est révélée être un heureux effet secondaire. "Cette grande surface de contact fait que les atomes de soufre peuvent lier les ions métalliques de manière particulièrement efficace", explique von Delius.
L'une des applications possibles est la séparation ciblée des métaux appelés monnaies, comme le palladium, l'or et l'argent, à partir de solutions. Dans le cas du palladium, qui est très répandu dans l'industrie pharmaceutique et dont le prix est similaire à celui de l'or, le matériau obtient de meilleurs résultats que les "scavengers" existants. Il s'agit de substances qui capturent les métaux et que les entreprises pharmaceutiques, par exemple, utilisent pour éliminer les résidus de palladium des matières premières médicamenteuses. Les analyses de la liaison du métal effectuées par une équipe du professeur Kerstin Leopold à l'Institut de chimie analytique et bioanalytique ont révélé une capacité maximale de liaison du palladium de 41,2 milligrammes par gramme pour le polymère thioorthoester. C'est presque deux fois plus que celle d'un scavenger commercial établi.
Le polymère convient également aux applications environnementales, par exemple pour éliminer les substances problématiques telles que l'antimoine, un semi-métal toxique, des scories dans les incinérateurs de déchets. Lors de tests, le nouveau matériau a absorbé jusqu'à 2,23 milligrammes d'antimoine par gramme de polymère - et ce à plusieurs reprises. Jusqu'à 83 pour cent des substances liées ont pu être détachées du matériau, avec seulement une faible perte de performance après plusieurs utilisations. "La propriété de séparer sélectivement certains métaux est un grand avantage", explique Leopold.
Une batterie écologique avec du soufre à la place du métal
Le nouveau polymère présente également des propriétés prometteuses en tant que composant des accumulateurs d'énergie modernes. Dans le cadre du cluster d'excellence POLiS ("Post Lithium Storage"), les chercheurs ont testé le matériau comme cathode sans métal dans des batteries lithium-ion. "Nous avons observé une capacité stable d'environ 100 mAh par gramme sur 1000 cycles de charge et de décharge. Et contrairement aux matériaux cathodiques classiques, le nouveau polymère ne contient pas de métaux critiques et pollue nettement moins l'environnement", rapporte von Delius.
Le travail des chercheurs d'Ulm a non seulement été accepté par la célèbre revue spécialisée Angewandte Chemie International Edition, mais a également été surclassé dans le nouveau journal Angewandte Chemie Novit après avoir obtenu les meilleures notes lors de l'évaluation - en tant que première étude publiée dans ce format, qui ne publie que des articles présentant un caractère de nouveauté exceptionnel.
Développement prévu avec des partenaires industriels
Le matériau nouvellement développé a déjà fait l'objet d'une demande de brevet, principalement en raison de ses propriétés exceptionnelles en tant que liant sélectif pour des métaux tels que le palladium et l'antimoine. Son utilisation comme cathode organique sans métal dans les batteries au lithium fait également partie de la demande de brevet. Actuellement, l'équipe de recherche prépare des entretiens avec des partenaires industriels potentiels afin de développer le procédé dans différents domaines - du traitement chimique des produits au stockage de l'énergie en passant par la purification de l'eau - en vue de sa commercialisation.
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