Matériau mésoporeux

Vues au microscope électronique d'un matériau carboné nanostructuré azoté (N-OMC) prises parallèlement (a) et orthogonalement (b) à la direction des canaux[1].

Un matériau mésoporeux est un matériau dont les pores ont un diamètre compris entre 2 et 50 nm selon la définition de l'IUPAC[2]. L'IUPAC définit ainsi un matériau dont les pores ont un diamètre inférieur à 2 nm comme microporeux, et un matériau dont les pores ont un diamètre supérieur à 50 nm comme macroporeux. L'IUPAC définit également un matériau mésoporeux comme désordonné ou ordonné dans une mésostructure. Dans les substances minérales cristallisées, une structure mésoporeuse réduit sensiblement le nombre de mailles cristallines du matériau, ce qui modifie significativement ses propriétés chimiques. Ainsi, les performances des matériaux mésoporeux électroactifs dans les accumulateurs électriques diffèrent sensiblement de celles des matériaux massifs[3].

Des substances telles que la silice mésoporeuse et certaines alumines comptent parmi les matériaux mésoporeux typiques. On connaît également des oxydes mésoporeux de niobium, de tantale, de titane, de zirconium, de cérium et d'étain. Le charbon actif est probablement le plus connu de ces matériaux, avec une porosité dans les domaines mésoporeux ou microporeux selon son mode de fabrication. Les matériaux carbonés nanostructurés, également appelés carbone mésoporeux ordonné (terme calqué sur l'anglais ordered mesoporous carbon), sont activement étudiés pour leurs applications directes dans les équipements de conversion et de stockage de l'énergie[4]. Ce carbone nanostructuré a une porosité dans le domaine mésoporeux, ce qui accroît significativement sa surface spécifique.

La production de silice mésoporeuse a été brevetée dans les années 1970[5],[6] et 1980[7] et des méthodes reposant sur le procédé Stöber de 1968[8] étaient encore utilisées en 2015[9]. Ce dernier passa pratiquement inaperçu à l'époque[10] avant d'être exhumé en 1997[11]. Des nanoparticules de silice mésoporeuse (MSN) étaient produites indépendamment en 1990 par une équipe japonaise[12] puis par une équipe des laboratoires Mobil[13], donnant lieu aux matériaux dits MCM (en), dont le MCM-41[14]. Les méthodes de production initiales ne permettaient pas de contrôler la qualité des niveaux secondaires de porosité produite. Ce n'est qu'en utilisant des cations d'ammonium quaternaire et des agents de silanisation pendant la production qu'on a pu parvenir à synthétiser des matériaux présentant le niveau de porosité souhaité et une texture aux propriétés améliorées[15],[16].

La recherche sur les matériaux mésoporeux se poursuit dans les domaines de la catalyse, la sorption, la détection de gaz, les piles et accumulateurs, les substances échangeuses d'ions, l'optique et l'énergie solaire photovoltaïque. Dans le domaine de la catalyse, les zéolithes sont un thème émergent où la mésoporosité en fonction du catalyseur est étudiée pour optimiser le craquage catalytique[17].

Notes et références

  1. ↑ (en) Meiqing Guo, Hefeng Wang, Di Huang, Zhijun Han, Qiang Li, Xiaojun Wang et Jing Chen, « Amperometric catechol biosensor based on laccase immobilized on nitrogen-doped ordered mesoporous carbon (N-OMC)/PVA matrix », Science and Technology of Advanced Materials, vol. 15, no 3,‎ , article no 035005 (PMID 27877681, PMCID 5090526, DOI 10.1088/1468-6996/15/3/035005, Bibcode 2014STAdM..15c5005G, lire en ligne)
  2. ↑ (en) J. Rouquerol, D. Avnir, C. W. Fairbridge, D. H. Everett, J. M. Haynes, N. Pernicone, J. D. F. Ramsay, K. S. W. Sing et K. K. Unger, « Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 66, no 8,‎ , p. 1739-1758 (DOI 10.1351/pac199466081739, lire en ligne)
  3. ↑ (en) Ali Eftekhari, « Ordered mesoporous materials for lithium-ion batteries », Microporous and Mesoporous Materials, vol. 243,‎ , p. 355-369 (DOI 10.1016/j.micromeso.2017.02.055, lire en ligne)
  4. ↑ (en) Ali Eftekhari et Zhaoyang Fan, « Ordered mesoporous carbon and its applications for electrochemical energy storage and conversion », Materials Chemistry Frontiers, vol. 1, no 6,‎ , p. 1001-1027 (DOI 10.1039/C6QM00298F, lire en ligne)
  5. ↑ (en) Vincent Chiola, Joseph E. Ritsko et Clarence D. Vanderpool pour GTE Sylvania Inc, Brevet U.S. 3556725 : Process for producing low-bulk density silica, déposé le 26 février 1969, publié le 19 janvier 1971, sur Google Patents.
  6. ↑ (en) Madeleine Le Page, Raymond Beau et Jacques Duchene pour Produits Chimiques Pechiney Saint Gobain, Brevet U.S. 3493341 : Porous silica particles containing a crystallized phase and method, déposé le 31 janvier 1966, publié le 3 février 1970, sur Google Patents.
  7. ↑ (en) Biegler Hanns et Kallrath Gottfried pour Evonik Operations GmbH, Brevet U.S. 3383172 : Process for producing silica in the form of hollow spheres, déposé le 4 février 1964, publié le 14 mai 1985, sur Google Patents.
  8. ↑ (en) Werner Stöber, Arthur Fink et Ernst Bohn, « Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range », Journal of Colloid and Interface Science, vol. 26, no 1,‎ , p. 62-69 (DOI 10.1016/0021-9797(68)90272-5, Bibcode 1968JCIS...26...62S, lire en ligne)
  9. ↑ (en) Guido Kicklebick, « Nanoparticles and Composites », David Levy et Marcos Zayat, The Sol-Gel Handbook: Synthesis, Characterization and Applications, vol. 3, John Wiley & Sons, 2015, p. 227-244. (ISBN 978-3527334865)
  10. ↑ (en) Ruren Xu, Wenqin Pang et Jihong Yu, Chemistry of zeolites and related porous materials: synthesis and structure, Wiley-Interscience, 2007, p. 472. (ISBN 978-0-470-82233-3)
  11. ↑ (en) Francesco Di Renzo, Hélène Cambon et Roger Dutartre, « A 28-year-old synthesis of micelle-templated mesoporous silica », Microporous Materials, vol. 10, nos 4-6,‎ , p. 283-286 (DOI 10.1016/S0927-6513(97)00028-X, lire en ligne)
  12. ↑ (en) Yanagisawa Tsuneo, Shimizu Toshio, Kuroda Kazuyuki et Kato Chuzo, « The Preparation of Alkyltriinethylaininonium–Kaneinite Complexes and Their Conversion to Microporous Materials », Bulletin of the Chemical Society of Japan, vol. 63, no 4,‎ , p. 988-992 (DOI 10.1246/bcsj.63.988, lire en ligne)
  13. ↑ (en) J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T. W. Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard, S. B. McCullen, J. B. Higgins et J. L. Schlenker, « A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates », Journal of the American Chemical Society, vol. 114, no 27,‎ , p. 10834-10843 (DOI 10.1021/ja00053a020, lire en ligne)
  14. ↑ (en) Brian G. Trewyn, Igor I. Slowing, Supratim Giri, Hung-Ting Chen et Victor S.-Y. Lin, « Synthesis and Functionalization of a Mesoporous Silica Nanoparticle Based on the Sol–Gel Process and Applications in Controlled Release », Accounts of Chemical Research, vol. 40, no 9,‎ , p. 846-853 (PMID 17645305, DOI 10.1021/ar600032u, lire en ligne)
  15. ↑ (en) Javier Pérez-Ramírez, Claus H. Christensen, Kresten Egeblad, Christina H. Christensen et Johan C. Groen, « Hierarchical zeolites: enhanced utilisation of microporous crystals in catalysis by advances in materials design », Chemical Society Reviews, vol. 37, no 11,‎ , p. 2530-2542 (PMID 18949124, DOI 10.1039/B809030K, lire en ligne)
  16. ↑ (en) Danny Verboekend et Javier Pérez-Ramírez, « Design of hierarchical zeolitecatalysts by desilication », Catalysis Science & Technology, vol. 1, no 6,‎ , p. 879-890 (DOI 10.1039/C1CY00150G, lire en ligne)
  17. ↑ (en) E. T. C. Vogt et B. M. Weckhuysen, « Fluid catalytic cracking: recent developments on the grand old lady of zeolite catalysis », Chemical Society Reviews, vol. 44, no 20,‎ , p. 7342-7370 (PMID 26382875, PMCID 4594121, DOI 10.1039/c5cs00376h, lire en ligne)

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