Des aérogels catalytiques prêts pour l'industrie

Dans de nombreux domaines industriels, des batteries aux procédés catalytiques en passant par la dépollution, les performances des matériaux dépendent autant de leur composition chimique que de leur architecture interne. C’est pourquoi les scientifiques cherchent à concevoir des matériaux pour lesquels les phénomènes qui se produisent de l’échelle atomique jusqu’à des échelles beaucoup plus grandes soient contrôlés.

Poursuivant cet objectif, des équipes du Centre de recherche Paul-Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), de l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de bordeaux/INP) et de l’Institut des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) ont développé une nouvelle génération de supports catalytiques sous forme d'aérogels inorganiques monolithiques. Leur caractère monolithique, c'est-à-dire en bloc solide unique plutôt qu’en poudre, facilite leur mise en œuvre dans les réacteurs, tandis que leur architecture d'aérogel offre une surface interne accessible très importante. Constitués d'un squelette de silice pouvant accueillir différents oxydes métalliques à propriétés catalytiques, ces matériaux offrent, du fait d'un réseau de pores hiérarchisés, une très grande surface spécifique accessible. De larges canaux percolant jusqu’au cœur du matériau permettent en outre aux réactifs d'accéder rapidement aux sites actifs catalytiques.

Jusqu’à présent, deux obstacles freinaient toutefois la production à grande échelle. Tout d’abord, la fabrication des émulsions concentrées servant de gabarit à ces architectures complexes, réalisée manuellement, restait difficile à reproduire et peu compatible avec un passage à l’échelle industrielle. Les scientifiques ont ainsi remplacé cette opération par un mélangeur planétaire déjà utilisé pour d’autres applications industrielles. Ce dispositif permet de contrôler précisément les conditions de mélange et d’obtenir, de manière reproductible, des matériaux dont la texture peut être ajustée jusqu’à l’échelle nanométrique.

Le second verrou concernait le séchage des matériaux poreux synthétisés par voie humide, une opération qui nécessitait traditionnellement une à plusieurs semaines afin d'éviter leur pulvérisation sous l'effet des forces capillaires. L’équipe a montré qu’un traitement au dioxyde de carbone supercritique permettait de réaliser cette étape en seulement une heure. Dans cet état particulier à la fois liquide et gaz, le CO₂ élimine les solvants présents dans le matériau tout en limitant fortement les contraintes mécaniques responsables des déformations.

Cette nouvelle approche réduit considérablement les temps de fabrication, préserve l’intégrité des monolithes et augmente fortement la surface spécifique accessible qui atteint jusqu’à 1 400 m² par gramme (soit une surface équivalente à plusieurs terrains de tennis concentrée dans un seul gramme de matériau). Le procédé élimine également jusqu’à 95 % des molécules tensioactives utilisées lors de la synthèse, ce qui permet ensuite de diminuer les températures de traitement thermique et de réduire l’empreinte carbone associée à la fabrication.

Les scientifiques ont par ailleurs montré que cette stratégie ne se limitait pas à la silice. Elle s'applique également à plusieurs autres matériaux catalytiques à base d'oxydes métalliques développés antérieurement par l'équipe, notamment de tungstène et de titane, démontrant ainsi le caractère générique de cette approche. 

Au-delà du matériau lui-même, cette étude illustre l'importance d'une approche intégrative de la chimie dans laquelle la composition du matériau, son procédé de fabrication, son architecture (ici, sa porosité) et ses propriétés sont pensés conjointement. Pour les scientifiques, cette conception globale des matériaux qui associe dès l'origine chimie, procédé et fonction d'usage, constitue l'une des clés du développement des matériaux du XXIe siècle.

Ces travaux ont donné lieu à deux dépôts de brevets CNRS en 2024 :
•    Procédé de préparation d’un monolithe inorganique à porosité multi-échelle (FR24-13710), inventeurs : A. Vardon, E. Laurichesse, V. Schmitt, F. Nallet et R. Backov
•    Matériau monolithique sous forme d’un aérogel macrocellulaire (FR24-13709), inventeurs : R. Backov, E. Layan, M.-A. Dourges et C. Aymonier