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Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles

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research 26/03/2020

We construct chemically accurate GO models and study their behavior in water, showing that oxygen-bearing functional groups (hydroxyl and epoxides) are preferentially clustered on the graphene oxide layer. We demonstrated the specific properties of GO in water, an unusual combination of both hydrophilicity and fast water dynamics. Finally, we evidence that GO is chemically active in water, acquiring an average negative charge of the order of 10 mC m−2. The ab initio modeling highlights the uniqueness of GO structures for applications as innovative membranes for desalination and water purification.

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Article at Le Parisien

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research 03/12/2019

De l'électricité produite dans les estuaires du monde entier ? C'est l'étonnante promesse portée par des chercheurs désireux d'exploiter l'énergie bleue ou osmotique. Elle repose sur un principe scientifique simple : des flux naissent naturellement entre des milieux de salinité différente. C'est ce qui explique par exemple que du sel déposé sur un concombre provoque un mouvement de l'eau contenue dans la plante, permettant de la dégorger. On retrouve un phénomène similaire au cœur des estuaires : la rencontre entre l'eau douce des fleuves et l'eau salée de la mer entraîne, du fait de leur différence de concentration en sel, d'importants mouvements de fluides et, in fine, la libération d'une grande quantité d'énergie.

Une source d'énergie au potentiel considérable

« L'énergie bleue suscite de grands espoirs, elle représente un potentiel considérable », résume Lyderic Bocquet, directeur de recherche au CNRS et professeur attaché à l'Ecole normale supérieure, au regard des nombreux lieux de rencontre entre des eaux de salinité différente et de l'importance des volumes qui peuvent entrer en jeu. Les estuaires ne sont d'ailleurs pas les seuls endroits où l'on peut envisager de récupérer de l'énergie bleue. Les stations d'épuration situées en bord de mer offriraient également un cadre favorable à cette production d'énergie. Même chose pour les unités de dessalement : l'eau très concentrée en sel qui en ressort pourrait être mélangée avec de l'eau de mer moins salée.

Au total, le potentiel de l'énergie bleue est estimé, selon les études, entre 1 et 2 TW (terawatts). « C'est l'équivalent de ce que pourraient fournir 1000 à 2000 réacteurs nucléaires », souligne Lyderic Bocquet. L'énergie bleue dispose, en outre, d'un autre atout de poids : « Elle est totalement renouvelable et non intermittente. A la différence du solaire ou de l'éolien, sa production est permanente », explique le scientifique.

Les scientifiques au chevet de l'énergie bleue

Comment parvenir à récupérer l'énergie résultant du mélange entre eau salée et eau douce ? C'est aujourd'hui l'objet des recherches de plusieurs communautés scientifiques à travers le monde. Certaines, par exemple en Norvège ou aux Pays-Bas, ont réalisé des tests dans des usines pilotes où était réalisé le mélange de l'eau salée et de l'eau douce disponibles à proximité. Une technologie a notamment été développée qui s'appuie sur des membranes semi-perméables, zones de contacts entre les eaux de salinité différente. Problème : la production électrique s'est avérée jusqu'alors décevante, avec seulement quelques watts par m² de membrane.

Des travaux sont depuis menés pour augmenter cette rentabilité énergétique. C'est notamment le cas au laboratoire de physique de l'École normale supérieure où des avancées importantes ont été observées ces dernières années. Elles s'appuient sur les recherches concernant les propriétés des fluides à l'échelle nanométrique mais aussi sur l'usage de membranes réalisées avec de nouveaux matériaux. « Nos travaux nous permettent d'atteindre une production allant jusqu'à 1000 watts par m² de membrane », explique Lyderic Bocquet. Pour exploiter ces progrès sur le plan industriel, une start-up nommée Sweetch Energy a été fondée. Elle ambitionne aujourd'hui de mettre en place dans moins de cinq ans un démonstrateur en milieu naturel, où de l'électricité serait produite. Une première étape avant d'envisager la multiplication d'unités de production qui pourraient bien révolutionner le paysage des énergies renouvelables.

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Un nouveau modèle pour les interactions entre l’oxyde de graphène et l’eau

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products 01/01/1970

Matériau à deux dimensions synthétisé à faible coût, l’oxyde de graphène est composé de feuillets formant des membranes, qui montrent des propriétés inégalées pour purifier ou dessaler l’eau. La nature des interactions chimiques entre l’oxyde de graphène et l’eau liquide reste néanmoins mal comprise, car l’oxyde de graphène comprend plusieurs types de fonctions oxygénées qui se répartissent irrégulièrement le long de ses feuillets. Or ce sont ces fonctions qui peuvent réagir avec l’eau. À l’aide d’une méthode de dynamique moléculaire qui prend en compte les phénomènes quantiques à l’échelle des électrons, des chercheurs du laboratoire Processus d’activation sélectif par transfert d’énergie uni-électronique ou radiatif (PASTEUR, CNRS/ENS Paris/Sorbonne université) et de l’Institut de recherche de chimie Paris (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech) ont proposé une modélisation totalement nouvelle de l’oxyde de graphène et de son interaction avec l’eau.

Alors que les modèles précédents considéraient l’oxyde de graphène comme un matériau inerte, où l’eau ne ferait que glisser entre les feuillets lors de la filtration, les chercheurs ont ici exploré de multiples modèles atomistiques de l’oxyde de graphène au contact de l’eau. Un processus long et coûteux à simuler, rendu possible par l’aide du Grand équipement national de calcul intensif du CNRS (GENCI). Ces travaux ont montré que les groupes fonctionnels oxygénés (hydroxyle et époxydes) se rassemblent préférentiellement en zones riches en oxygène et laissant à découvert des zones de graphène pur. Ces grappes peuvent perdre des protons sous l’action de l’eau et ainsi acquérir une charge électrique : la répulsion entre les feuillets chargés négativement assure la stabilité des feuillets, qui se maintiennent alors les uns les autres à une même distance. Les chercheurs comptent à présent tester l’impact d’autres liquides contenant de l’hydrogène, comme des alcools, pour voir si de nouvelles réactivités apparaissent, ainsi que de vérifier si les comportements changent si on modifie l’espace entre les feuillets.

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