Texture des matériaux divisés - Taille de pores des matériaux nanoporeux par adsorption d’azote

Cet article examine les méthodes les plus répandues pour caractériser, par adsorption d’azote, la taille des pores des matériaux nanoporeux, dans la gamme des largeurs comprises entre 0,1 et 50 nm.

Même lorsqu’ils sont d’origine naturelle (charbons actifs, argiles activées), ces matériaux font le plus souvent l’objet d’un traitement destiné à les « ajuster » (en taille de pores, en aire spécifique, en fonctions chimiques superficielles...) en vue de leurs applications qui sont nombreuses et parmi lesquelles, on peut mentionner :

• l’abaissement de la pression de stockage du gaz naturel (afin d’alléger les bouteilles et permettre leur utilisation sur véhicules propulsés au gaz naturel) ;

• la purification et le recyclage de l’atmosphère des avions ;

• la rétention et le réemploi des vapeurs d’essence dégagées par les réservoirs de voiture ;

• la rétention et le réemploi des vapeurs de solvants à la sortie des tunnels de peinture ;

• la réhabilitation de sols souillés par des métaux lourds ;

• la séparation des gaz de l’air à la température ambiante, en faisant l’économie d’une liquéfaction et d’une distillation coûteuses en énergie ;

• le stockage et le relargage progressif (ou « libération prolongée ») de principes actifs médicamenteux, pour assurer une concentration constante dans l’organisme malgré des prises de médicaments très espacées ;

• la réalisation de machines frigorifiques solaires exploitant le caractère fortement endothermique de la désorption de vapeur d’eau ou d’alcool et utilisables pour le stockage de vaccins en pays désertique ;

• la récupération de l’hydrogène dans les rejets gazeux de raffinage (où il ne coûte rien) pour son utilisation comme combustible propre ;

• la séquestration du dioxyde de carbone pour limiter le réchauffement climatique.

On comprend facilement le rôle primordial de la largeur des pores dans ces applications. C’est cette largeur qui permet en effet de développer aussi bien des propriétés de « tamis moléculaire » ne laissant passer qu’une certaine taille de molécules, qu’une énergie d’adsorption physique (d’autant plus élevée que le pore est étroit) dont on peut exploiter l’effet thermique correspondant, ou une perméabilité aux gaz et aux liquides (grâce à plusieurs tailles de pores « hiérarchisées ») capable d’accélérer les opérations de génie chimique, ou encore la capacité de stockage « utile » des gaz avec une énergie d’adsorption suffisante pour permettre une bonne rétention mais assez faible pour permettre une récupération facile et aussi complète que possible du gaz...

Pour caractériser la taille des nanopores, cet article fait appel à l’adsorption d’azote, qui est l’approche la plus utilisée, surtout quand le matériau est lui-même destiné à une application mettant en jeu l’adsorption.

L’automatisation des appareils permet aujourd’hui d’effectuer des mesures de routine, ce qui est un avantage certain, mais on se rend vite compte que la compréhension des résultats nécessite toujours une certaine expertise à laquelle cet article se propose de contribuer.

Si cet article est centré sur l’une des caractéristiques de la texture des adsorbants poreux (la taille de leurs pores), on peut trouver dans l’article [P 1 050] ainsi que dans les références   :

• une importante information complémentaire sur la texture des matériaux pulvérulents ou poreux ;

• la terminologie correspondante ;

• le phénomène d’adsorption gazeuse ;

• la mesure des aires spécifiques ;

• l’interprétation des principales isothermes d’adsorption physique ;

• les procédures expérimentales pour les obtenir.