À Saclay, des nanodiamants décomposent un « polluant éternel »

À Saclay, des chercheurs ont réussi à faire disparaître le PFOA initial d’une solution expérimentale en moins de 40 minutes. Leur outil : de minuscules particules de diamant plongées dans l’eau et éclairées par une lampe. Mais derrière cette performance, annoncée le 23 octobre par le CEA, une autre expérience révèle ce qu’il faudra surmonter pour transformer la découverte en méthode de dépollution : avec une lumière plus proche de celle du soleil, la réaction ralentit fortement.

Le PFOA appartient à la famille des PFAS, ces composés chimiques extrêmement persistants que l’on retrouve notamment dans les eaux contaminées. Les filtres à charbon actif peuvent les retenir, mais pas les détruire. Le polluant reste alors dans le matériau filtrant, qu’il faut ensuite traiter.

Au laboratoire NIMBE, unité commune du CEA et du CNRS, Rafaël Jimenez et ses coauteurs explorent une autre voie : casser les liaisons chimiques particulièrement résistantes qui unissent le carbone et le fluor dans ces molécules.

Pourquoi ces diamants fonctionnent-ils mieux ?

L’idée d’utiliser des nanodiamants n’est pas entièrement nouvelle. En 2023, une équipe américaine avait déjà obtenu la dégradation d’un autre PFAS, le PFOS, grâce à des nanodiamants éclairés par des ultraviolets très énergétiques, à 254 nanomètres. Ce rayonnement n’atteint pratiquement pas la surface terrestre.

À Saclay, les chercheurs ont changé la nature du matériau. Plutôt que des nanodiamants issus d’une synthèse par détonation, ils ont utilisé des particules obtenues par broyage de cristaux de diamant de bonne qualité, puis traité leur surface à l’hydrogène.

Cette préparation change leur comportement. Le PFOA s’attache plus facilement à leur surface et, sous l’effet de la lumière, des électrons très réactifs peuvent contribuer à rompre ses liaisons carbone-fluor.

Dans les conditions les plus favorables, avec une concentration de nanodiamants de 1 mg/mL, le PFOA initial disparaît en moins de 40 minutes. Surtout, après environ 100 minutes, les chercheurs retrouvent presque tout le fluor de départ sous forme d’ions fluorure. Cette mesure montre que l’expérience ne s’est pas limitée à transformer le PFOA en d’autres molécules fluorées persistantes.

Les mêmes nanodiamants ont également été réutilisés quatre fois sans perte notable d’efficacité.

Une lumière solaire beaucoup moins rapide

L’équipe a ensuite filtré la lumière de sa lampe au xénon pour déterminer quelles longueurs d’onde étaient indispensables.

En supprimant les ultraviolets inférieurs à 280 nanomètres, absents du rayonnement solaire qui atteint le sol, la destruction du PFOA reste possible. Mais, à dosage de nanodiamants identique, elle prend environ quatre fois plus de temps qu’avec la lampe non filtrée.

Lorsque les chercheurs retirent également les longueurs d’onde inférieures à 305 nanomètres, la réaction ralentit davantage : seulement 15 % du PFOA initial disparaît après 100 minutes. En supprimant tous les ultraviolets, elle s’arrête.

Les nanodiamants fonctionnent donc avec des ultraviolets présents dans la lumière naturelle, ce que les expériences antérieures ne permettaient pas d’établir aussi clairement. Mais la rapidité obtenue sous lampe ne peut pas être transposée directement à une installation solaire.

Et les essais ont été réalisés dans de l’eau ultrapure contenant du PFOA ajouté à environ 12 milligrammes par litre, une concentration bien supérieure à celles généralement rencontrées dans l’environnement.

L’étude publiée dans la revue Carbon établit ainsi une défluoration presque complète du PFOA grâce à des nanodiamants spécialement préparés, sans nécessiter les ultraviolets les plus énergétiques.

Pour les équipes de Saclay, la prochaine étape sera de tester ces nanodiamants sous le soleil et dans des eaux réellement contaminées. Deux conditions encore à réunir pour envisager de détruire le PFOA hors du laboratoire.