Nouveaux matériaux poreux dérivés de ressources naturelles

Dans un contexte global dominé par la néces­sité d’économiser les res­sour­ces fos­si­les, de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de limi­ter l’empreinte car­bone des indus­triels, les chi­mis­tes déve­lop­pent des alter­na­ti­ves aux pro­duits déri­vés du pétrole en uti­li­sant la bio­masse comme matière pre­mière. Cette démar­che se géné­ra­lise et sera un thème cen­tral de 2011 : année inter­na­tio­nale de la chimie. Dans cet esprit, cette com­mu­ni­ca­tion pré­sente de nou­veaux soli­des poreux bio­sour­cés mul­ti­fonc­tion­nels pour appli­ca­tions énergétiques et envi­ron­ne­men­ta­les. Ces maté­riaux ont en commun d’être déri­vés de tan­nins conden­sés, peti­tes molé­cu­les poly­phé­no­li­ques extrac­ti­bles de cer­tains arbres. Leur struc­ture chi­mi­que les appa­rente au résor­ci­nol, com­posé syn­thé­ti­que oné­reux et toxi­que. Leur poly­mé­ri­sa­tion permet d’obte­nir, selon les condi­tions expé­ri­men­ta­les, des mous­ses rigi­des ou des gels soli­des. Les mous­ses rigi­des ex-tan­nins sont des maté­riaux alvéo­lai­res dotés de pro­prié­tés remar­qua­bles : extrême légè­reté, résis­tance méca­ni­que au moins égale à celle de tout autre mousse com­mer­ciale d’ori­gine pétro­chi­mi­que, prix de revient très infé­rieur, infu­si­bi­lité et com­plète inin­flam­ma­bi­lité, conduc­ti­vité ther­mi­que excep­tion­nel­le­ment basse. Toutes ces qua­li­tés font de ces nou­veaux maté­riaux des concur­rents sérieux, écologiques et bio­sour­cés, des iso­lants ther­mi­ques actuels pour le bâti­ment. Après pyro­lyse, ces mêmes mous­ses sont conver­ties en car­bone vitreux de même struc­ture, dont la résis­tance chi­mi­que les rend uti­li­sa­bles comme fil­tres pour métaux fondus et flui­des cor­ro­sifs, alors que leur conduc­ti­vité électrique les des­tine aussi à des appli­ca­tions comme électrodes poreu­ses. Polymérisés en pré­sence de sol­vant, les tan­nins don­nent des gels soli­des dont le séchage : évaporatif, par lyo­phi­li­sa­tion ou par extrac­tion super­cri­ti­que, conduit à des xéro­gels, cryo­gels, et aéro­gels, res­pec­ti­ve­ment. Ces maté­riaux ont, à den­sité équivalente à celle des mous­ses rigi­des pré­cé­den­tes, une poro­sité typi­que­ment mille fois plus étroite. Les appli­ca­tions sont aussi variées que la cata­lyse, l’iso­la­tion ther­mi­que et, après pyro­lyse, le sto­ckage électrochimique par adsorp­tion d’ions.

New porous materials derived from natural resources

In a global context stron­gly influen­ced by the need to save fossil resour­ces, decrease emis­sions of green­house gases and limit the carbon foot­print of indus­tries, che­mists are deve­lo­ping alter­na­ti­ves to oil-deri­ved pro­ducts through the use of bio­mass as a raw mate­rial. Such an approach tends to become stan­dard, and will be a cen­tral topic of 2011 : the International Year of Chemistry. In this sense, the pre­sent com­mu­ni­ca­tion intro­du­ces new bio­sour­ced, mul­ti­func­tio­nal, porous solids deri­ved from tan­nins, having energy and envi­ron­men­tal appli­ca­tions. These mate­rials have the common fea­ture of being pre­pa­red from conden­sed tan­nins : small poly­phe­no­lic mole­cu­les extrac­ted from some tree spe­cies. Their che­mi­cal struc­ture is close to that of resor­ci­nol, a syn­the­tic and harm­ful com­pound. Their cross-lin­king allows either rigid foams or solid gels to be obtai­ned, depen­ding on the expe­ri­men­tal condi­tions. Tannin-based rigid foams are cel­lu­lar mate­rials having outs­tan­ding pro­per­ties : extreme light­ness, mecha­ni­cal resis­tance at least equal to that of any other rigid com­mer­cial foam of petro­che­mi­cal origin, much lower cost, infu­si­bi­lity and total non­flam­ma­bi­lity, excep­tio­nally low ther­mal conduc­ti­vity. All these qua­li­ties make these new, eco­lo­gi­cal and bio­sour­ced mate­rials serious com­pe­ti­tors of today’s ther­mal insu­la­tors for buil­ding. After pyro­ly­sis, the foams are conver­ted into glass­like carbon of iden­ti­cal pore struc­ture, whose che­mi­cal resis­tance makes them usea­ble as fil­ters for molten metals and cor­ro­sive fluids, whe­reas appli­ca­tion as porous elec­tro­des is also pos­si­ble thanks to their elec­tri­cal conduc­ti­vity. When poly­me­ri­sed in the pre­sence of sol­vent, tan­nins lead to solid gels whose drying : sub­cri­ti­cal, super­cri­ti­cal, or by freeze-drying gives xero­gels, aero­gels and cryo­gels, res­pec­ti­vely. These mate­rials pre­sent, for a bulk den­sity simi­lar to that of the pre­vious foams, poro­sity typi­cally one thou­sand times nar­ro­wer. Applications are mani­fold : cata­ly­sis, ther­mal insu­la­tion and, after pyro­ly­sis, elec­tro­che­mi­cal sto­rage through ion adsorp­tion.