Fibre de carbone poreuse ultra-perméable : adsorption et conductivité exceptionnelles

Toray Industries (Tokyo, Japon) a annoncé mi-novembre 2019 le développement de la première fibre de carbone poreuse au monde dotée d'une structure de pores continue à l'échelle nano et/ou micro, avec pour objectif une commercialisation d'ici cinq ans.

Médias de filtration nanoporeux : état de l'art

Les médias de filtration nano- et microporeux ne sont pas nouveaux. Plusieurs polymères (majoritairement thermoplastiques) produisent des membranes plates nanoporeuses et des fibres nanoporeuses. Applications types : filtres eau haute performance, filtration agroalimentaire, filtres médicaux (séparation sanguine, dialyse), séparation gazeuse industrielle (chimie, pétrochimie, énergie, sidérurgie, médical, engrais, environnement, électronique, aérospatial).

Polymères courants : PES, PSU, PVDF, PTFE, acétate de cellulose. Pour conditions extrêmes (températures élevées/basses, chimie agressive, forts taux de solides) : céramiques (alumine) et métaux (dioxyde de titane, acier inoxydable).

Niveaux de porosité selon besoins : microfiltration (0,1 µm), ultrafiltration (0,01 µm), nanofiltration (0,001 µm), osmose inverse (0,0001 µm).

Exigences critiques : résistance chimique large (y compris à l'hypochlorite de sodium), résistance mécanique (hautes pressions), perméabilité, faible encrassement.

La fibre de carbone poreuse : une avancée majeure

Le charbon actif (carbone à micropores augmentant la surface d'adsorption) est utilisé depuis longtemps dans des systèmes de filtration moins performants. Mais étant essentiellement solide, sa fonction de perméation se limite à la surface, et sa filtration est principalement physique, limitant les types et tailles de substances séparables.

La fibre de carbone poreuse de Toray — ou les poudres issues de son broyage — présente des pores continus à travers toute la structure, permettant à la fois filtration physique et chimique. En exploitant les propriétés d'adsorption du carbone atomique, elle peut servir de matériaux d'électrode et de supports de catalyseur dans les batteries haute performance. Le carbone est aussi bon conducteur thermique et électrique — atouts pour certaines applications.

Contrôle précis et stabilité

Toray rapporte que la taille des pores (micro à nano) et la forme de section transversale sont contrôlables, que ce soit pour une fibre poreuse « pleine » ou creuse (avec arbre central). L'entreprise a créé des pores « grands » et « petits » (sans détails chiffrés). Déjà carbonisée et graphitée, la fibre est chimiquement stable, très rigide et résistante — propriétés exploitables pour des membranes de séparation gazeuse plus robustes et compactes.

Trois expertises internes mobilisées

Le développement a mobilisé trois domaines d'expertise de Toray : polymères, fibre de carbone, et technologies de membranes de séparation/filtration d'eau.

Centre R&D Innovation pour le Futur

Le 11 décembre 2019, Toray a inauguré son nouveau Centre R&D Innovation pour le Futur (deux bâtiments sur le site de l'usine de Shiga à Otsu, Japon, où l'entreprise opère depuis 1926). Ce centre servira de siège mondial pour plusieurs initiatives stratégiques, dont la fibre de carbone poreuse, en engageant institutions académiques et partenaires industriels.

Toray collabore déjà avec plusieurs partenaires pour piloter la commercialisation de membranes avancées de séparation gazeuse pour l'économique et l'écologique : purification gaz naturel/biogaz, production d'hydrogène pour piles à combustible (véhicules électriques, bâtiments). L'équipe a développé un concept de membrane à quatre couches : couche A (gaz naturel), B (biogaz), C (hydrogène), D (propylène), combinant la fibre de carbone poreuse de Toray comme couche support et les technologies partenaires pour les couches de séparation gazeuse.

L'entreprise poursuit la recherche sur ce matériau pour favoriser le recyclage du carbone, exploiter l'énergie hydrogène et réduire l'empreinte environnementale de l'industrie — un pilier de la Vision Durabilité du Groupe Toray pour des économies bas-carbone d'ici 2050.