La couche acide dans les nanotubes de carbone à paroi unique facilite le confinement des impuretés anioniques

Des processus de purification efficaces qui séparent les impuretés de l’air et de l’eau sont nécessaires pour maintenir la vie sur Terre. A cette fin, les matériaux carbonés sont utilisés depuis longtemps pour désodoriser, séparer et éliminer les impuretés anioniques nocives par adsorption. Jusqu’à présent, le mécanisme détaillé par lequel le carbone purifie l’eau est resté un mystère. De plus, on ne sait pas si la solution aqueuse adsorbée sur le matériau carboné est acide, alcaline ou neutre.

Pour combler ces lacunes, des chercheurs dirigés par le Dr Takahiro Ohkubo, professeur agrégé au Département de chimie, Faculté des sciences naturelles et de la technologie, Université d’Okayama, au Japon, ont étudié le mécanisme fondamental par lequel les anions sont adsorbés par les nanopores de carbone.

Dans un article récent mis en ligne le 16 septembre 2022 et publié dans le Journal of Colloid and Interface Scienceles chercheurs rapportent avoir utilisé des outils spectroscopiques Raman pour examiner l’adsorption des ions nitrate par le pore cylindrique des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT).

Le Dr Ohkubo et ses collègues ont réussi à déchiffrer le mécanisme de formation de la couche acide près des parois des pores. Il s’avère que, lorsqu’une solution aqueuse contenant des ions pénètre dans le matériau carboné, même si la solution aqueuse est neutre, il se forme une couche aqueuse acide contenant des protons qui maintient un état stable. Commentant la nouveauté et la nature fondamentale de leur travail, le Dr Ohkubo déclare : « À ce jour, aucun rapport n’a démontré l’existence de couches d’adsorption acide formées dans des nanotubes de matériaux carbonés.

L’équipe de recherche, qui comprenait également le Dr Nobuyuki Takeyasu, professeur agrégé dans la même faculté de l’Université d’Okayama, a découvert que la couche acide facilite l’adsorption efficace des impuretés anion nitrate chargées négativement, où la quantité adsorbée d’ions nitrate est beaucoup plus grande que celle des cations ou des groupes chargés positivement. De plus, des ions hydroxyde sont générés en tant que contre-ions. Les anions présents dans la solution en vrac sont échangés avec les ions hydroxyde dans le SWCNT, rendant la solution aqueuse alcaline.

L’équipe a examiné l’adsorption d’anions à l’aide de plusieurs nitrates de métaux alcalins, notamment des solutions de nitrate de lithium, de nitrate de sodium, de nitrate de rubidium et de nitrate de césium. Ils ont découvert que plus d’ions nitrates sont adsorbés que d’ions métalliques. La quantité d’adsorption de protons était presque la même quel que soit le type d’ion de métal alcalin utilisé. Le Dr Ohkubo déclare : « La couche acide dans le pore peut fortement adsorber les espèces d’anions nitrate en raison à la fois du fort confinement par le pore et de la forte interaction entre la couche et l’anion.

Les résultats sont en effet des étapes importantes vers la conception et le développement de nanotubes de carbone adaptés à l’adsorption d’ions et à la purification de l’eau et de l’air. Le mécanisme de purification présenté dans cette recherche est un nouveau modèle qui explique l’alcalinité du milieu de la solution aqueuse, qui était jusqu’à présent un mystère. Les chercheurs observent que les résultats de leur étude soulignent fortement la nécessité de neutraliser l’eau avant utilisation lorsque les impuretés ioniques sont piégées par les matériaux carbonés.

Une autre contribution remarquable de cette étude est la démonstration que l’interface des nanomatériaux est un nouveau champ de réaction chimique, qui pourrait guider d’autres expériences. Pris ensemble, ces travaux font passer notre compréhension du mécanisme d’adsorption des anions par le carbone à un niveau supérieur, ouvrant la voie à de nouveaux nanotubes de carbone en tant que purificateurs efficaces.