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Procédés environnementaux, des nanos comme dopants

Nanomatériaux : entre défis et précaution, la science avance Actu-Environnement.com - Publié le 13/05/2013

Dépollution d'aquifères très pollués, amélioration du rendement de panneaux photovoltaïques ou détection de gaz à de faibles concentrations : les caractéristiques particulières des nanoparticules permettent d'optimiser des procédés environnementaux.

Nanomatériaux : entre défis et...  |    |  Chapitre 3 / 6
Procédés environnementaux, des nanos comme dopants
Environnement & Technique N°325 Ce dossier a été publié dans la revue Environnement & Technique n°325
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Booster les performances de certains procédés grâce à la réactivité particulière des nanoparticules ? C'est l'objectif de scientifiques dans des domaines aussi variés que l'énergie, la détection de gaz ou la dépollution de l'eau. Les nanoparticules, "du fait de leur petite taille vont se retrouver avec une grande proportion d'atomes en surface par rapport au nombre d'atomes dans le volume, explique dans un document, Olivier Aguerre, scientifique de l'Ineris, cela suffit pour générer des propriétés chimiques du fait de la réactivité spécifique des atomes en surface".

Si des nanoparticules existent naturellement dans l'environnement, celles qui sont manufacturées ne présentent pas tout à fait le même comportement. "La différence entre un objet naturel de taille nanométrique et un de même dimension fabriqué par l'homme est que la taille de ce dernier sera déterminée en fonction de l'apparition de la propriété recherchée", explique Jérôme Rose, directeur de recherche CNRS au Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement. Alors que naturellement, les éléments de petites dimensions interagissent rapidement pour arriver à un équilibre thermodynamique, l'élaboration de nanoparticules implique de bloquer leur taille avant cet état de stabilité.

"La révolution dans les nanotechnologies s'est produite grâce à l'arrivée des techniques de microscopie à sonde locale : la recherche a progressé car nous sommes arrivés à détecter les charges électriques et donc visualiser ce que nous faisions", pointe Luc Barbier, chargé de communication et chercheur dans le service de Physique et Chimie des Surfaces et Interfaces au CEA de Saclay. Les scientifiques passent ainsi par deux types de voies pour concevoir des nanos : l'ultraminiaturisation, pour produire des systèmes de plus en plus petits, ou jouer sur des phénomènes d'auto-assemblage des atomes.

Amélioration du rendement des panneaux photovoltaïques

Dopés avec des terres rares, des nanos permettent d'améliorer le rendement de panneaux photovoltaïques. En effet, comme le silicium est un matériau moins performant pour la partie ultraviolet-visible du spectre solaire, les scientifiques tentent d'adapter le rayonnement solaire à la sensibilité spectrale des cellules photovoltaïques en silicium. Pour cela, ils intègrent des terres rares dans une matrice déposée en couche mince sur le semi-conducteur de la cellule photovoltaïque. Au final, les processus physiques induits permettent une multiplication des photons dans la couche mince active et une adaptation de leur énergie au pic de sensibilité du matériau qui constitue la cellule.

Autre application dans ce domaine : les panneaux photovoltaïques organiques. Le cœur actif (300 à 400 nanomètres) de ces derniers est un mélange de polymère et de nanomatériaux, les fullerènes. Les nanomatériaux, utilisés pour l'élaboration des matériaux d'interface du panneau (de l'ordre d'une dizaine de nanomètres), permettent de réduire les températures des procédés d'élaboration et ainsi de ne pas détériorer les substrats plastiques, l'un des constituants des panneaux. Fins et flexibles, ces panneaux pourraient s'intégrer dans le futur, à des revêtements muraux, des rideaux, des vitrages, sac à dos, etc.

"Sur les aspects coût de production et retour énergétique, il y a un rapport d'1/10 entre la technologie PV organique et les technologies PV silicium cristallin classique", pointe Solenn Berson, ingénieur au CEA-INES. "A l'échelle du laboratoire, nous arrivons à 12% de rendement par contre au niveau industriel, nous ne dépassons pas les 3 à 5 % : nous devons progresser sur le transfert de technologie", reconnaît-elle. Leur durée de vie de 3 à 5 ans reste également à améliorer.

Des nanoparticules de fer pour dépolluer les nappes

D'autres projets de recherche se penchent sur la dépollution des aquifères de sites contaminés. Les scientifiques comptent réduire les composés organiques et inorganiques en injectant des nanoparticules de fer métallique. Le principe de cette dépollution repose sur une réaction d'oxydo-réduction : les particules de fer en rouillant vont réduire les composés organiques et inorganiques à proximité. "Par exemple, un polluant comme le chrome 6+, très oxydé et très toxique, une fois réduit en chrome 3+ est moins toxique et en plus il précipite", illustre Jérôme Rose. La difficulté ? Les nanoparticules, très réactives, interagissent immédiatement dès l'injection. Pour traiter une surface plus étendue, les scientifiques les "protègent" en ajoutant des molécules organiques comme de la cellulose en surface pour ralentir leur oxydation. "Nous testons l'abattement sur un site réel qui est contaminé avec des polluants organochlorés et du chrome sous sa forme 6+, et nous voulons préciser au bout de combien de temps la pollution réduit", explique le chercheur.

Les scientifiques souhaitent également mettre à contribution les bactéries qui ont résisté à la pollution : certaines peuvent en effet la traiter. Ils visent l'introduction d'éléments qui favoriseront leur développement. "Une fois dans le sol, les nanoparticules de fer vont devenir des oxydes de fer, présents naturellement en grande quantité, la taille nanométrique n'est pas conservée : les particules interagissent avec les composants du sol comme l'argile ou la matière organique", souligne Jérôme Rose. Encore onéreuse, cette solution serait réservée à des sites ou les traitements in situ s'avèrent plus efficaces.

Éliminer l'arsenic de l'eau potable

Les nanoparticules de fer peuvent également être utilisées pour éliminer l'arsenic potentiellement présent dans l'eau potable de pays comme l'Inde, le Vietnam, le Bengladesh, etc. L'arsenic va venir se coller aux nanos oxydes de fer. Comme ces derniers sont magnétiques, les scientifiques peuvent isoler ce complexe de l'eau et ensuite recycler les nanos. Cette solution est aujourd'hui encore en phase de test au laboratoire.

Les nanoparticules pourraient également optimiser la performance des filtrations membranaires. Les scientifiques tentent de les utiliser pour renforcer la résistance mécanique de la membrane (et diminuer ainsi son épaisseur) mais également grâce notamment à des nanoparticules d'argent, éliminer les bactéries susceptibles de les colmater. "Comme ce sont des membranes en polymères, la difficulté est de bien disperser les nanoparticules et de ne pas modifier la membrane elle-même : les pores doivent rester bien calibrés", complète Jérôme Rose.

Une autre option serait de concevoir des membranes avec des nanoparticules métalliques dont les espaces entre elles constitueraient les pores. Pour les nettoyer, il suffirait alors "d'ouvrir" puis refermer ces derniers grâce à une variation de champ magnétique. "Aujourd'hui nous ne contrôlons pas encore très bien le champ magnétique et la taille des pores mais ce sont des développements envisagés", complète Jérôme Rose.

Pour le traitement d'effluent industriel spécifique, les nanos pourraient également être utilisés : des membranes en oxyde de titane permettraient l'oxydation de polluants organiques.

Une détection sélective de gaz

Une détection d'une molécule de gaz à moins d'une sur un million de particule d'air ? C'est ce que pourrait réaliser un dispositif de capteur de gaz à base de nanotubes de carbone. Il permet en effet d'identifier une sorte d'empreinte électronique unique des gaz. Développé dans le cadre du projet Nanosensofin, le capteur a déjà été testé en laboratoire en présence de monoxyde d'azote (NO), benzène (C6H6) et dioxyde d'azote (NO2), ainsi que méthylphosphonate de diméthyle (DMMP).

Autre stratégie pour détection des gaz : mettre au point un nouveau signal pour identifier la présence du monoxyde de carbone. Ainsi des scientifiques ont élaboré une nanopoudre qui présente la particularité de convertir spécifiquement le monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2) en dégageant une grande quantité de chaleur. "La réponse du nanomatériau est rapide (5 secondes), proportionnelle à la concentration de CO injectée et réversible, à température ambiante", précise dans un document l'Agence nationale de la recherche.

Ainsi, dans le cadre du projet PEPS, des scientifiques utilisent cette propriété comme un indicateur de la présence du gaz. Cette poudre est en effet incorporée dans un matériau transparent et le mélange est déposé en couche mince sur un composant photonique, sensible à ce type de modification. En présence de monoxyde de carbone, l'élévation de température entraîne une modification de ses propriétés optiques et conduit à une variation de l'intensité lumineuse. Le signal lumineux permet ensuite de déterminer la quantité de gaz.

Dorothée Laperche

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