Le Fraunhofer IAP étudie par XPS la chimie de surface des matériaux hybrides biosourcés

fr.wedoany.com Rapport : Le Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP utilise la spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) pour étudier l'état chimique et les interactions des surfaces et interfaces de matériaux carbonés biosourcés et de matériaux hybrides organiques-inorganiques ; les connaissances ainsi obtenues peuvent soutenir le développement ciblé de matériaux fonctionnels destinés à des applications industrielles.

Les matériaux biosourcés et les systèmes hybrides peuvent être utilisés pour le traitement de l'eau, les procédés catalytiques, les composants électrochimiques et les revêtements fonctionnels, combinant les propriétés des matières premières naturelles et des matériaux inorganiques. Leur fonction, leur réactivité et leur stabilité dépendent de l'environnement chimique des surfaces et des interfaces ; les méthodes d'analyse traditionnelles fournissent des informations limitées, et les causes des différences de performance, des effets de vieillissement ou des comportements inattendus sont souvent difficiles à identifier.

Dans une série d'études conjointes dirigées par le groupe de travail de chimie des matériaux du professeur Andreas Taubert de l'Universität Potsdam, les chercheurs ont développé des matériaux carbonés biosourcés et des matériaux hybrides pour le traitement de l'eau ; le Fraunhofer IAP fournit la caractérisation XPS, analysant la composition de surface, l'état chimique et les interactions interfaciales. Le marc de café et les épluchures d'orange servent de matières premières renouvelables pour préparer du biochar, ensuite combiné avec des minéraux argileux et des oxydes métalliques.

L'expert en analyse de surface du Fraunhofer IAP, le Dr Jiyong Kim, utilise la XPS pour étudier comment le traitement thermique et la formation d'hybrides influencent la chimie des surfaces et des interfaces : la surface du matériau est irradiée par des rayons X et l'énergie des photoélectrons émis est mesurée. Selon Kim, la XPS permet de lire les informations des 1 à 10 nanomètres les plus superficiels du matériau, avec une préparation d'échantillon minimale, sans dissolution ni digestion chimique.

La chimie des matériaux issus de matières premières naturelles est complexe. Lors du traitement thermique de biomasse telle que le marc de café ou les épluchures d'orange, de nombreuses réactions se produisent simultanément, générant des matériaux carbonés à la chimie de surface non homogène, qui ne peuvent être décrits par une structure unique. La XPS permet de distinguer les surfaces complexes et d'en déduire la formation ainsi que les applications ultérieures. Pour le biochar de marc de café, la XPS montre que le traitement thermique reconfigure le carbone de surface, formant une structure plus riche en carbone et de type graphitique, mais toujours non homogène et contenant de nombreux sites défectueux, susceptibles de favoriser les interactions avec les principes actifs pharmaceutiques, les colorants et d'autres polluants organiques. Selon Taubert, la connaissance de la nature chimique exacte aide à maîtriser la composition et à suivre les changements lors de l'application en purification de l'eau ou dans des composants électrochimiques, changements difficiles à détecter par d'autres méthodes.

Dans les matériaux hybrides biosourcés, les composants organiques et inorganiques sont liés à petite échelle, et les processus interfaciaux influencent les performances ultérieures. Selon Kim, connaître uniquement les éléments ne suffit pas ; l'essentiel réside dans la manière dont les composants interagissent et si de nouveaux environnements chimiques se forment aux interfaces ; la XPS permet de rendre ces interactions visibles. Dans un système hybride composé de biochar d'épluchures d'orange, d'argile et de dioxyde de titane, lors du traitement thermique, des liaisons chimiques impliquant le titane, l'oxygène, le carbone et l'aluminium se forment aux interfaces ; dans les photocatalyseurs modifiés à l'azote, la XPS permet de distinguer l'azote incorporé dans les structures inorganiques contenant du titane des composés organiques azotés résiduels. De tels matériaux peuvent à la fois fixer les polluants et les dégrader sous illumination grâce à leurs propriétés photocatalytiques.

Grâce à la XPS, le Fraunhofer IAP aide les entreprises et les partenaires de recherche à comprendre la chimie de surface complexe des matériaux biosourcés, à identifier les causes des différences de performance, notamment les fluctuations entre lots de production, les processus de vieillissement, la modification de surface ainsi que les interactions avec les polluants et d'autres molécules, afin d'optimiser les formulations et les procédés de fabrication des matériaux et de développer des matériaux robustes et reproductibles adaptés aux applications industrielles. L'intérêt de l'industrie pour les matières premières renouvelables croît, et ces résultats illustrent également le potentiel de la recherche conjointe sur les matériaux à surfaces et interfaces complexes, tels que les matériaux carbonés biosourcés, les catalyseurs, les revêtements et les composites polymères.