Nanotechnologies : de la décontamination des sols au stockage d’énergie

Les nanotechnologies représentent l’une des grandes avancées technologiques des dernières années.
Elles désignent l’ensemble des techniques de fabrication et de manipulation de la matière à l’échelle infiniment petite ou nanométrique et contribuent au développement de nombreux produits de notre quotidien dans des secteurs très variés. De l’industrie pharmaceutique à l’électronique, de l’aéronautique à la chimie, leurs champs d’application sont immenses et continueront d’évoluer. En effet, les recherches actuelles dans ce domaine, qui s’appuient en grande partie sur les matériaux de pointe, ouvrent la voie au développement des nanomatériaux. Ces derniers sont des matériaux naturels contenant des particules libres et dont au moins une dimension est à l’échelle nanométrique. Plusieurs types de nanomatériaux (nanoparticules, nanocomposites, nanotubes de carbone, matériaux nanostructurés, etc.) sont concernés par les champs de recherche et de développement actuels.  

 

Selon les récentes estimations, les nanomatériaux représentaient 73 % du marché des nanotechnologies en 2015. Cette part devrait atteindre 82 % en 2019. Les nanomatériaux regorgent de potentialités très diverses (chimiques, biologiques, mécaniques, optiques, etc.) et leur intérêt en recherche débouche sur de nouvelles applications significatives, en particulier pour les secteurs de l’environnement et de l’énergie. Les nanomatériaux permettent à cet égard la mise en œuvre de technologies efficaces et peu coûteuses pour convertir et stocker l’énergie. Ils contribuent au développement de batteries plus performantes, destinées notamment aux secteurs du transport et de l’électronique. En environnement, les nanomatériaux favorisent l’élaboration de procédés novateurs visant à réduire les risques générés par de nombreuses activités industrielles. Ils offrent notamment de nouvelles solutions rapides et efficaces pour décontaminer les sols et traiter les eaux usées. En effet, grâce à leurs caractéristiques physico-chimiques, les nanomatériaux ont la particularité d’avoir une grande capacité d’absorption des substances polluantes.

 

L’objectif de ce bulletin est de présenter la contribution des nanotechnologies (et nanomatériaux) au développement des technologies alternatives pour l’environnement et l’énergie. Les nanotechnologies constituent un domaine prometteur à la fois pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles et pour diminuer les effets sur l’environnement issus de l’utilisation massive de produits nocifs.

Après un bref survol de l’importance du marché des nanotechnologies pour les secteurs de l’énergie et de l’environnement, nous présentons les récents développements technologiques mis au point grâce aux nanomatériaux. Un accent est ici porté sur les technologies contribuant à l’émergence des nouvelles filières, notamment les applications pour la conversion et le stockage de l’énergie, ainsi que les solutions en décontamination des sols.

 

 

NANOTECHNOLOGIES : UN MARCHÉ EN CROISSANCE POUR L’ENVIRONNEMENT ET L’ÉNERGIE

 

Le marché mondial des nanotechnologies est en plein essor. Évalué à environ 16 milliards de dollars en 2010, il s’élevait à 27 milliards de dollars en 2015. Il s’agit d’une croissance annuelle moyenne de 11,5 % entre 2010 et 2015. Ce marché devrait connaître un développement plus rapide au cours des prochaines années et atteindre près de 76 milliards de dollars en 2020, soit une croissance annuelle moyenne de 23 % entre 2015 et 2020. Cette forte accélération s’explique en grande partie par la place qu’occupent les nanomatériaux. En 2010, ces derniers représentaient 64 % de cette industrie, une part qui atteindra 82 % en 2019.

 

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L’environnement et l’énergie figurent parmi les secteurs pour lesquels le marché des nanotechnologies, et donc des nanomatériaux, est porteur. Pour des applications en environnement, ce marché était évalué à 1,1 milliard de dollars en 2008. En 2015, il représentait environ 26 milliards de dollars, soit une croissance annuelle moyenne de 57 % en sept ans. Selon les prévisions pour les années à venir, le marché des nanotechnologies appliquées au domaine environnemental devrait croître en moyenne de 10 % par année entre 2015 et 2020 et atteindre près de 42 milliards de dollars en 2020.

 

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Tous les sous-secteurs de l’environnement connaissent une croissance. Le marché des nanotechnologies appliquées aux traitements des eaux et de l’air représenterait respectivement 16,6 et 16,7 milliards de dollars en 2020. Il s’agit de taux de croissance annuels respectifs de 12,5 % et 10 % entre 2015 et 2020. En matière de décontamination des sols, ce marché s’évaluait à 6,2 milliards de dollars en 2015 et devrait atteindre 8,4 milliards de dollars en 2020, soit une croissance annuelle moyenne de 6 %.

 

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Les nanotechnologies représentent également un marché en croissance dans le secteur énergétique, propulsé principalement par les nouvelles technologies de stockage et de conversion de l’énergie. En 2012, il était évalué à 8,8 milliards de dollars. Il devrait croître en moyenne de 11 % par année et atteindre 15 milliards de dollars en 2017. Le développement de nouveaux matériaux afin de rendre les batteries lithium-ion plus performantes, sécuritaires et moins coûteuses, est l’exemple le plus notable de l’application des nanotechnologies dans le domaine de l’énergie. En 2010, le marché mondial des nanomatériaux pour le stockage d’énergie des batteries lithium-ion se chiffrait à 63 millions de dollars. Il devrait croître de 37 % en moyenne par année pour atteindre 575 millions de dollars en 2017.

 

 

L’INFINIMENT PETIT AU SERVICE DES INNOVATIONS POUR L’ENVIRONNEMENT ET L’ÉNERGIE

 

Les nanomatériaux font l’objet de nombreuses recherches qui s’attellent à proposer des technologies toujours plus innovantes, entre autres sur le plan environnemental, mais aussi sur celui de l’énergie. En faisant la promotion d’un environnement plus sain et d’une meilleure efficacité énergétique, ces innovations constituent de véritables assises pour le développement des filières émergentes, dont les véhicules électriques, les bâtiments à énergie propre et les procédés innovants en décontamination des sols.

 

"La précipitation des nanoparticules après irradiation par la lumière UV permet de concentrer les polluants et d'éviter le relargage de nanomatériaux dans l'environnement. " Nicolas Bertrand

« La précipitation des nanoparticules après irradiation par la lumière UV permet de concentrer les polluants et d’éviter le relargage de nanomatériaux dans l’environnement.  » Nicolas Bertrand

La technologie récente développée par le professeur Subhasis Ghoshal constitue une avancée significative des nanotechnologies pour la décontamination des sols et des eaux, pouvant résulter en des applications industrielles. Avec son équipe, le directeur de Trottier Institute for Sustainability in Engineering and Design (TISED) de l’Université McGill a mis au point une solution à base de nanoparticules de fer. Celles-ci sont non toxiques, très réactives et très riches (contact facile avec les contaminants), permettant ainsi de dépolluer rapidement et efficacement les sols contaminés par des substances organiques.

Les nanoparticules de fer mises au point permettent à la fois de décontaminer les sols et de traiter, en amont, les déchets liquides industriels, avant qu’ils ne soient déversés dans l’environnement. Les hydrocarbures chlorés et les métaux lourds, en particulier, sont des produits chimiques toxiques qui peuvent être traités par ces nanoparticules. Pour dépolluer un site, ces dernières sont d’abord injectées dans le sol. Ensuite, les nanoparticules de fer réagissent avec les contaminants absorbés dans le sol et les eaux souterraines. Le traitement des déchets industriels contenant des solvants chlorés, qui se fait présentement par incinération, se ferait alors sur place (sans transport des déchets) dans un réacteur contenant les nanoparticules. Les produits résultant du réacteur sont inoffensifs et contiennent de l’éthylène, un produit chimique qui pourrait être utile pour d’autres industries, comme celle de la fabrication des matières plastiques.

Bien que le procédé de base produise déjà des résultats concluants, le chercheur s’est assuré de l’améliorer pour accroître la vitesse de décontamination en ajoutant des polymères biodégradables, soit le sulfure (un composé chimique) et le butanol (un type d’alcool). Les polymères ont la capacité de stabiliser et de mieux distribuer les nanoparticules dans les eaux souterraines ou les eaux usées industrielles. Le sulfure, quant à lui, rend les particules plus réactives. Un processus de traitement dans un réacteur qui utilise la solution contenant le butanol permet des réactions dans un environnement « sec » (moins d’eau), ce qui donne lieu à une ventilation plus rapide des hydrocarbures chlorés. Comparativement aux nanoparticules sans butanol et aux polymères biodégradables, le degré de décontamination du sol est 50 % plus élevé avec les nanoparticules optimisées. En outre, cette rapidité de décontamination permet d’éviter que les nanoparticules soient rouillées, ce qui rendrait la solution inefficace.

Cette technologie se révèle prometteuse pour plusieurs industries, notamment les secteurs de l’environnement, des technologies propres et de la fabrication.

Dans le cadre de ses recherches postdoctorales entreprises au Massachusetts Institute of Technology (MIT), le professeur Nicolas Bertrand de l’Université Laval a mis au point une technologie permettant de retirer les contaminants des sols et de l’eau à partir des nanoparticules faites de polymères biodégradables. Celles-ci ont la particularité d’être sensibles à la lumière. La performance de ces nanoparticules de polymères, capables d’absorber efficacement les contaminants de nature organique (pesticides, produits pharmaceutiques, polluants issus des matières plastiques, etc.), a été testée avec succès en laboratoire sur plus de vingt-deux types de polluants présents dans les sols et dans l’eau. Cette technique novatrice est déployée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, le contact des nanoparticules avec la surface contaminée permet d’absorber et de retenir les contaminants présents dans le sol. Une fois ceux-ci extraits et exposés au rayonnement ultraviolet, les nanoparticules contaminées s’agrègent et forment un résidu solide, que l’on peut récupérer par filtration. Ce résidu concentré peut ensuite être détruit de manière plus efficace. Il n’y a donc aucun retour des nanoparticules dans l’environnement. Selon le chercheur qui entend poursuivre des travaux sur des technologies semblables, cette technique prometteuse pourrait potentiellement améliorer les procédés actuellement utilisés. Des compagnies américaines, québécoises et françaises ont déjà manifesté leur intérêt, mais les procédés de fabrication doivent encore être optimisés pour permettre l’évaluation de cette technologie à plus large échelle.

Les recherches menées par le professeur Oumarou Savadogo au sein du Laboratoire de nouveaux matériaux pour l’énergie et l’électrochimie ont permis de mettre au point une technologie de décontamination des eaux usées et des boues d’épuration par voie électrochimique. Il s’agit d’apporter de l’énergie par voie électrique pour dégrader ou extraire les contaminants. Testée avec succès en laboratoire, la technologie développée par le chercheur et son équipe est applicable autant pour la contamination organique qu’inorganique. En plongeant deux nanomatériaux (électrodes) dans le milieu contaminé et en introduisant un courant entre eux, ils ont réussi à extraire les contaminants des eaux et des boues d’épuration. Une particularité de cette technologie est qu’elle permet l’extraction simultanée des hydrocarbures et des métaux, dans le cas d’une contamination mixte (contaminants organiques et inorganiques). Selon le chercheur, le procédé développé initialement pour les eaux usées et les boues d’épuration pourrait également être appliqué au traitement des sols, en utilisant des appareils électriques appropriés.

Ces technologies prometteuses peuvent également compter sur le savoir-faire des entreprises d’ici, qui disposent d’une expertise complémentaire pouvant déboucher sur une collaboration recherche/industrie.

C’est le cas de Pangeos qui intègre les plus récents développements scientifiques dans ses services de caractérisation et de réhabilitation des sites contaminées, afin d’obtenir un portrait fiable de ceux-ci, favorisant une prise de décision optimale. L’entreprise dispose d’une expertise permettant d’effectuer des analyses des contaminants sur le site et en temps réel, contrairement aux techniques conventionnelles qui requièrent l’envoi d’échantillons en laboratoire et une attente de quelques jours pour la réception des résultats analytiques. Avec cette expertise, Pangeos est en mesure de déterminer, en seulement quelques minutes et directement sur le site, le type de contamination ainsi que sa profondeur, à l’aide d’analyseurs portables. Cette solution permet d’optimiser les prises de décisions grâce à une délimitation ciblée des zones contaminées, une baisse des délais d’attente et une optimisation des coûts liés à l’ensemble des activités d’une caractérisation ou d’une réhabilitation des sites contaminés. Pour intégrer les plus récents développements technologiques associés à cette expertise, l’entreprise mettra à la disposition de ses clients un outil infonuagique, qui permettra un partage de données et une prise de décision en temps réel.

Par ses activités de recherche et de développement, l’entreprise collabore avec différentes universités québécoises, dont l’École de technologie supérieure qui abrite la Chaire de recherche du Canada en caractérisation des sites contaminés. Ces diverses collaborations ont permis à Pangeos de mettre en place de nouveaux concepteurs novateurs, notamment en valorisation des sols contaminés, en caractérisation et en réhabilitation « haute résolution » des sites contaminés ainsi qu’en représentativité des données environnementales.

Stockage et conversion de l’énergie

Le professeur Daniel Bélanger, titulaire de la Chaire de recherche sur les nouveaux matériaux pour les technologies de l’énergie de l’Université du Québec à Montréal (UQAM), et son équipe effectuent des recherches sur des nanomatériaux servant à la conversion et au stockage de l’énergie. En collaboration avec le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ), ils ont récemment réalisé des avancées importantes qui permettent d’améliorer l’efficacité des batteries lithium-ion. C’est en ajoutant un nanofilm à la surface des matériaux actifs d’électrodes que la performance (quantité d’énergie et sa vitesse de récupération) et la stabilité (durée de vie, sécurité) de ces batteries se sont trouvées améliorées. Testée avec succès en laboratoire, cette invention pourrait potentiellement être utilisée par des entreprises qui souhaitent développer des systèmes de stockage d’énergie, principalement pour des véhicules électriques.

Le professeur Steen B. Schougaard, directeur du Centre de recherche sur les nanomatériaux et l’énergie (NanoQam), en collaboration avec l’entreprise Phostech Lithium devenue Johnson Matthey Matériaux pour Batteries Ltée, a mis au point des matériaux composites destinés aux batteries lithium-ion de haute performance. Grâce à l’ajout d’un polymère conducteur d’électricité qui enrobe les nanoparticules contenues dans les batteries lithium-ion, il a obtenu un matériau qui permet à ces batteries d’emmagasiner et de retirer plus rapidement les énergies renouvelables telles que les énergies éolienne, solaire et hydraulique. Autrement dit, l’énergie stockée dans les batteries est non seulement verte, mais le temps de charge de celles-ci est aussi minimisé. Les avantages de cette recherche de pointe pour le Canada, et particulièrement pour le Québec, sont énormes. La technologie développée est à la fois bénéfique pour le marché émergent des véhicules hybrides et électriques, et permet aussi d’utiliser les ressources hydroélectriques dont regorge le Québec afin de réduire l’empreinte environnementale et de résoudre le problème de l’intermittence de l’énergie.

Titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur l’intégration des matériaux nanoscopiques hybrides à Polytechnique Montréal, le professeur Oussama Moutanabbir développe des nouveaux matériaux multifonctionnels tels que les semi-conducteurs à base des alliages du silicium-germanium-étain. Ces derniers peuvent être utilisés à la fois dans la production de l’énergie propre et aussi comme des unités de base pour réduire la consommation énergétique des dispositifs électroniques et des outils de communication. Plus spécifiquement, le chercheur et son équipe développent des lasers à l’échelle nanoscopique qui peuvent être intégrés avec des puces électroniques afin d’obtenir des puces ultraperformantes à faible perte énergétique. Les technologies derrière ces nouvelles sources de lumière permettent aussi le développement de dispositifs innovateurs tels que les imageurs infrarouges, les diodes électroluminescentes, et les photo-détecteurs opérant à des longueurs d’onde allant de l’infrarouge proche à l’infrarouge moyen (lumière non visible à l’œil). Ces technologies peuvent être exploitées dans les domaines de la sécurité et de la surveillance, de l’inspection environnementale, de l’anticontrefaçon, de l’analyse biomédicale poussée, des véhicules intelligents et de la détection des contaminants organiques, notamment dans les produits alimentaires. Aussi, selon le chercheur, dans un contexte où les objets sont de plus en plus connectés, les matériaux développés permettent d’améliorer la connectivité entre les outils de communication ainsi que leur consommation d’énergie. En outre, les nanomatériaux conçus peuvent être applicables dans le domaine de l’énergie photovoltaïque, pour une conversion de l’énergie en électricité.

Les questions scientifiques autour de cette nouvelle famille de matériaux et de leurs implications technologiques suscitent l’intérêt de plusieurs entreprises américaines, européennes, canadiennes et montréalaises.

L’efficacité énergétique des bâtiments constitue également un domaine d’intérêt particulier porté par la recherche sur les nanomatériaux. Les fenêtres intelligentes, c’est-à-dire des surfaces vitrées capables de contrôler la lumière et donc l’énergie transmise, pourraient devenir une composante essentielle pour le développement des bâtiments de demain, celles-ci permettant de diminuer la consommation énergétique des appareils de chauffage et de climatisation, en plus de contrôler le niveau d’éclairage. En guise d’exemple, dans un climat variable comme celui de Montréal, ces fenêtres permettraient de limiter la climatisation durant l’été et le chauffage durant l’hiver, sans sacrifier le confort et la qualité de vie des occupants.

Les travaux de recherche du professeur Ludvik Martinu au sein du Laboratoire des Revêtements Fonctionnels et Ingénierie de Surfaces (LaRFIS), affilié à  Polytechnique Montréal, s’inscrivent, entre autres, dans cette perspective. Le chercheur et son équipe ont mis au point des procédés et des nanomatériaux avancés ayant des caractéristiques multifonctionnelles ajustées sur mesure. Concrètement, les matériaux intelligents développés possédant une microstructure contrôlée à l’échelle du nanomètre ont la capacité de changer de couleur lorsqu’un courant électrique est appliqué (effet électrochromique) ou lorsqu’ils sont soumis à une certaine température (effet thermochromique). Ces nanomatériaux contribuent au développement d’applications dans de multiples domaines, dont les fenêtres intelligentes. Ces dernières permettraient de réguler non seulement la chaleur des bâtiments, mais aussi celle des moyens de transport tels que les automobiles, les trains et les avions. Grâce aux matériaux mis au point, ces fenêtres seraient plus performantes (économie d’énergie), plus durables, garantiraient l’esthétisme (couleur ou apparence des surfaces vitrées sur mesure) et contiendraient des fonctionnalités accrues (purification de l’air). En outre, les matériaux développés pourraient être appliqués sur des pellicules de plastique pouvant revêtir et convertir les fenêtres conventionnelles en fenêtres intelligentes. Finalement, il est intéressant de noter que ces mêmes matériaux permettent des applications dans de nombreux autres secteurs, comme l’aéronautique, la santé et la sécurité, le domaine biomédical, etc.

Contribuer au développement des nanomatériaux et des technologies vertes pour le stockage d’énergie est un objectif clé des recherches entreprises par la professeure Clara Santato, qui travaille au sein de plusieurs groupes de recherche affiliés à  Polytechnique Montréal. Plus particulièrement, elle considère les nanomatériaux moléculaires d’origine naturelle, tels que les couches minces de mélanines, une classe de biopolymères responsables de la coloration de la peau. Les mélanines sont des matériaux souples, biodégradables et biocompatibles, ayant des propriétés redox (transfert électronique) et la capacité de se lier réversiblement aux cations. La professeure et son équipe ont pu utiliser les propriétés pseudocapacitives de ces pigments pour mettre au point des systèmes de stockage d’énergie électrochimique moins toxiques pour l’environnement. Plus spécifiquement, elles ont développé des supercondensateurs à base d’électrodes de mélanine sur papier carbone et d’électrolytes aqueux, utilisant des substrats biodégradables et flexibles. Ces nanomatériaux naturels ont le potentiel de révolutionner plusieurs technologies, notamment celles des batteries et de l’électronique verte. Le développement des « réseaux ubiquitaires de capteurs » dans nos villes dépendra aussi de notre capacité à mettre au point des matériaux électroactifs compatibles avec l’environnement.

Les nanotechnologies, qui bouleversent déjà des secteurs comme la médecine, la biologie et l’électronique, vont permettre de véritables avancées technologiques dans des domaines stratégiques. En particulier, grâce aux potentialités des nanomatériaux, elles ouvrent la voie à des progrès notables pour les secteurs de l’énergie et de l’environnement. Les nanotechnologies contribuent notamment au développement des véhicules électriques et hybrides grâce à l’émergence des batteries plus performantes, à l’optimisation et à l’élargissement des procédés environnementaux de décontamination des sols, et même au contrôle énergétique dans les bâtiments.

Ce secteur, en pleine croissance, est d’une importance stratégique pour Montréal, dont le développement des filières respectueuses de l’environnement est un fer de lance. L’engouement de la recherche sur les matériaux de pointe, économiquement viables et intégrant les énergies renouvelables, procurera un net avantage à la métropole québécoise.