Les membranes inorganiques peuvent être considérées comme des tamis de cuisine. De la même manière que les tamis séparent les particules plus petites des plus grosses, les membranes inorganiques, généralement constituées de céramiques ou de métaux, séparent sélectivement les molécules en fonction de leur taille et de leurs propriétés.

Dans une réalisation révolutionnaire, une équipe de chercheurs du Collège de conception et d’ingénierie (CDE) de l’Université nationale de Singapour, dirigée par le professeur Ho Ghim Wei du Département de génie électrique et informatique, a développé une technique révolutionnaire pour produire membranes inorganiques ultrafines. Ces membranes autoportantes peuvent fonctionner sans aucun substrat de support – une avancée significative dans la technologie des membranes.

Hautement personnalisables et simples à produire, les membranes inorganiques – soutenues par une stratégie de synthèse universelle et facile – ont le potentiel de bénéficier à des applications au-delà de la filtration et de la séparation. De la conversion d’énergie à la catalyse et à la détection, la polyvalence des membranes pourrait transformer divers secteurs et industries qui dépendent de la technologie des membranes. En promouvant l’efficacité et la durabilité dans les processus industriels, la recherche pionnière des scientifiques du NUS a dévoilé de nouvelles possibilités pour surmonter les défis énergétiques face au changement climatique.

Les membranes réinventées

Les technologies membranaires conventionnelles utilisées dans les processus de purification et de séparation sont connues pour être énergivores et donc coûteuses, impliquant souvent une combinaison de pression, de chaleur et parfois de produits chimiques pour fonctionner efficacement. De plus, les membranes doivent être régénérées, tandis que les composants filtrés nécessitent généralement un traitement supplémentaire après la séparation, ce qui entraîne des besoins énergétiques et des coûts supplémentaires.

Ces limites des technologies membranaires traditionnelles ont incité le chercheur postdoctoral Dr Zhang Chen dans l’équipe du professeur Ho à développer une nouvelle stratégie de synthèse pour des membranes inorganiques hautement efficaces. La méthode du Dr Zhang consiste à apprivoiser des blocs de construction inorganiques chaotiques, flottant librement dans un environnement liquide, en les incitant à s’auto-assembler dans la membrane souhaitée. Ce processus réglable fournit un moyen efficace d’adapter l’épaisseur de la membrane et les caractéristiques des pores pour des applications spécifiques, en obtenant une efficacité énergétique maximale.

« Notre étude nous a également permis d’adopter une nouvelle approche pour repenser la façon dont les membranes inorganiques sont traditionnellement développées », a ajouté le Dr Zhang.

Les scientifiques du NUS ont présenté un modèle de synthèse que d’autres chercheurs peuvent utiliser pour leur travail, ce qui pourrait stimuler la découverte de nouvelles membranes avec une gamme de composition plus large de manière évolutive et rentable.

D’un point de vue structurel, les membranes qu’ils ont produites ont une plus grande diversité géométrique que les membranes conventionnelles, offrant plus de flexibilité et d’options lors de la conception de structures membranaires.

De plus, l’étude explore également la fonctionnalité de la membrane, où des barrières 2D hautement sélectives sont utilisées pour contrôler le flux d’énergie à travers la membrane. Cette caractéristique pourrait influencer le fonctionnement de la membrane, permettant de filtrer les ions en fonction de leur charge, d’exploiter différentes formes d’énergie telles que la chaleur, l’électricité ou la lumière, ou de concentrer sélectivement des molécules spécifiques. Une telle flexibilité est hautement souhaitable dans diverses applications liées à l’énergie, y compris les piles à combustible et la conversion de l’énergie solaire.

« Notre nouvelle technique a le potentiel de transformer les industries qui dépendent fortement des membranes pour leur fonctionnement, en particulier celles liées à l’énergie ou à l’environnement », a déclaré le professeur Ho. « La capacité de créer des membranes inorganiques autoportantes hautement sélectives ouvre de nombreuses possibilités intéressantes pour des applications dans la séparation dynamique spatiale avancée, la catalyse, les capteurs, les mémoires et les conducteurs ioniques, qui représentent tous des développements sans précédent. »

Les découvertes de l’équipe ont été publiées dans la revue scientifique Nature le 29 mars 2023.

Formuler un avenir plus vert

En mettant l’accent sur l’efficacité et la personnalisation, l’innovation des chercheurs joue un rôle clé dans les initiatives de développement durable de NUS, réduisant considérablement la consommation d’énergie des processus liés aux membranes dans le monde et réduisant ainsi l’empreinte carbone de diverses industries.

Poussé par le potentiel de la percée, le professeur Ho prévoit de diriger une équipe interdisciplinaire de scientifiques dans un programme de recherche à multiples facettes pour faire progresser la technologie des membranes au niveau supérieur. « En explorant la vaste gamme de compositions de membranes et en les couplant avec diverses formes d’énergie, nous espérons débloquer de nouvelles applications et faire de nouveaux progrès vers un avenir plus durable », a déclaré le professeur Ho.

L’équipe cherche également à développer des outils de fabrication automatisés pour rationaliser le processus de production des membranes inorganiques, rendant finalement leur technologie plus accessible à plus grande échelle.