Les applications environnementales des nanoparticules Jeudi 13 janvier 2011, Hynd Rémita, Laboratoire de Chimie Physique

Le jeudi de la recherche de janvier 2011 a eu lieu au laboratoire de Chimie Physique (LCP) à la faculté des sciences d’Orsay. Hynd Rémita travaille dans ce laboratoire en partie sur le développement et la caractérisation de nouveaux catalyseurs pour des applications environnementales. Elle nous a présenté les nanoparticules comme des solutions originales pour le développement durable.

Que sont les nanoparticules ?

Les nanoparticules sont des particules de très petite taille. Le préfixe nano vient du grec et signifie très petit. Ces particules ont une taille de l’ordre de 10-9 m, ce qui correspond à un diamètre 30 000 fois plus petit que celui d’un cheveu.

Coupe romaine de Lycurgus datant du IVe siècle avant JC éclairée de l’extérieur (à gauche) et éclairée de l’intérieur (à droite)
© British museum

Les nanoparticules ne sont pas l’apanage des chimistes du XXIe siècles. Des nanoparticules d’or ont été synthétisées pour la première fois en 1857 par Faraday par réduction du chlorure d’or par du phosphore blanc. La solution de nanoparticules est stable et encore visible à Londres ! Mais elles étaient utilisées depuis l’Antiquité pour leurs vertus thérapeutiques et leurs propriétés optiques très particulières. Par exemple, la coupe romaine de Lycurgus datant du IVe siècle avant JC contient des nanoparticules d’or et d’argent qui lui donnent toute son originalité : cette coupe apparaît verte et opaque quand elle est éclairée de l’extérieur mais rouge-orange et transparente quand elle est éclairée de l’intérieur (voir photos).

Pourquoi les nanoparticules sont-elles si particulières ?

Nanobâtonnets d’or dont la couleur dépend de la taille
C. J. Murphy et al., MRS Bulletin, 2005, 30, 349

Un métal sous forme de nanoparticule n’a pas les mêmes propriétés (optiques, magnétiques, catalytiques,...) que le métal massif. Ces propriétés varient beaucoup en fonction de la taille des nanoparticules. Par exemple, les nanoparticules d’or changent de couleur en fonction de leur taille (cf photo) et de leur forme (sphérique ou en bâtonnet). Les particules sphériques sont rouges alors que les particules en bâtonnets sont bleues, vertes ou marrons selon la longueur des bâtonnets.

Comment les nanoparticules peuvent révolutionner les pots catalytiques ?

En brûlant leur carburant, les voitures rejettent des gaz nocifs comme le monoxyde de carbone ou le monoxyde d’azote. Depuis les années 90, plusieurs directives européennes imposent des normes sur la qualité de l’air dont l’usage obligatoire des pots catalytiques pour les voitures neuves. Les pots catalytiques permettent de limiter la nocivité des gaz d’échappement. Les réactions chimiques à réaliser pour obtenir la destruction des polluants sont les suivantes :

  • réduction : 2NO + 2CO → N2 + 2CO2
  • oxydations : 2CO + O2 → 2CO2
    Hydrocarbures + O2 → CO2 + H2O

Ces réactions, pour se faire, ont besoin de catalyseurs. Actuellement les pots catalytiques sont composés de métaux précieux fixés sur un support en céramique. Les catalyseurs « trois voies », composés de nanoparticules de platine et palladium pour oxyder et de rhodium pour réduire, fonctionnent à très haute température 300-400°C. Ce type de catalyseurs est efficace quand le moteur est chaud alors que 80% de la pollution automobile a lieu dans les dix premières minutes de fonctionnement. Un catalyseur efficace à température ambiante serait donc bien plus performant. Les nanoparticules d’or peuvent être très utiles dans ce cas. En effet même si l’or massif est inerte il devient très actif à très petite taille. En dessous d’un diamètre de 5nm, les nanoparticules d’or catalysent l’oxydation du monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2 ) à température ambiante. D’une manière générale, l’efficacité des nanoparticules en catalyse provient en partie de leur très grande surface utile par rapport à leur volume. Par ailleurs, les nanoparticules d’or sont économiquement plus favorables que le platine qui coûte très cher et qui est moins abondant (il est présent surtout en Afrique et en Russie). Les nanoparticules d’or sont déjà utilisées dans les masques de pompiers et pourraient l’être dans un futur proche dans les pots catalytiques et dans les piles à combustibles.

Comment les nanoparticules peuvent-elles aider à dépolluer les sols ?

Les nanoparticules d’or sont aussi utilisées pour détecter le mercure. A son contact, l’or rouge devient vert marron à cause de la formation d’amalgames qui transforme les bâtonnets d’or en sphères et au changement de taille des nanoparticules. Cette variation de couleur se fait en fonction de la quantité de mercure ce qui permet de détecter ce polluant toxique à l’œil nu et le de quantifier facilement par spectroscopie UV-visible.

Grâce à son fort pouvoir d’adsorption, les nanoparticules de dioxyde de fer appelées « nanorouille » sont utilisées pour extraire l’arsenic en particulier dans les eaux polluées du Bengladesh. Les complexes fer-arsenic sont extraits grâce aux propriétés magnétiques du fer. L’efficacité de fixation peut être améliorée en diminuant la taille des nanoparticules ce qui augmente la surface de réaction.

A quoi servent les nanoparticules dans les matériaux auto-nettoyants ?

On peut combiner les performances des nanoparticules et l’action de la lumière pour mettre au point des dispositifs efficaces de traitement de l’eau ou de l’air. Le dioxyde de titane, TiO2 , est un composé largement utilisé comme agent blanchissant (peinture, lessive, papier, …) ou anti-UV (crème solaire) car il absorbe la lumière ultraviolette. C’est un matériau stable, abondant et non toxique.

Eglise du Jubilé à Rome
© Infociments

Sous forme de nanoparticules, il photocatalyse la destruction des polluants mais aussi des bactéries et des virus. On peut ainsi concevoir des bétons auto-nettoyants comme à l’église du Jubilé de Rome, ou des verres auto-nettoyants.

Les chercheurs essaient désormais de mettre au point des formes de dioxyde de titane qui catalyseraient les réactions avec la lumière visible et non pas seulement ultraviolette. Ce qui permettrait d’avoir des matériaux plus efficaces sous lumière solaire.

dégradation d’un polluant par photocatalyse à l’aide du dioxyde de titane
© Ekopedia

Une démonstration pour conclure...

La conférence s’est conclu avec une démonstration de la dégradation de polluants au contact avec des nanoparticules de dioxyde de titane sous l’action de la lumière UV. Pour que la démonstration soit visuelle et sans danger, le polluant était de la rhodamine, un colorant rouge utilisé en biologie pour colorer des tissus. Au début de la démonstration, la solution « polluée » était rouge. Au contact avec des particules de dioxyde de titane et sous rayonnement UV, la solution se décolorait au fur et à mesure de la dégradation de la rhodamine. Une analyse plus poussée montre bien qu’au delà de l’effet visuel les molécules de rhodamine ont bien disparu de la solution. Par réaction chimique, elles se sont complètement dégradées pour donner de l’eau et du dioxyde de carbone.