Comment dégrader les PFAS, ces substances chimiques souvent surnommées « polluants éternels » et qui peuvent contaminer durablement l’eau ? Au NIMBE (UMR CEA–CNRS), des chercheurs des groupes LEDNA et LCMCE ont exploré une piste originale : utiliser de minuscules diamants et de la lumière pour décomposer l’un de ces polluants, le PFOA. En laboratoire, ils sont parvenus à libérer presque tout le fluor contenu dans cette molécule, sous forme d’ions fluorure. Un résultat encourageant pour envisager, à terme, des traitements capables de dégrader certains polluants persistants plutôt que de simplement les retenir dans des filtres.
Présents dans de nombreux produits du quotidien, notamment certains textiles et emballages alimentaires, les PFAS sont appréciés pour leur résistance à l’eau, aux graisses et à la chaleur. Mais ces propriétés présentent un sérieux inconvénient : une fois rejetées dans l’environnement, ces substances se dégradent très difficilement. Leur résistance s’explique notamment par la grande solidité des liaisons chimiques entre les atomes de carbone et de fluor qui les composent. Pour les éliminer de l’eau, les méthodes de filtration ou de piégeage sur des matériaux comme le charbon actif permettent de les retenir, sans toutefois les détruire. Comment parvenir à casser ces liaisons particulièrement résistantes ? C’est l’une des questions auxquelles les chercheurs tentent de répondre en explorant des méthodes de dégradation utilisant la lumière.
L’équipe du NIMBE s’est intéressée à un matériau inattendu : le diamant, sous la forme de particules extrêmement petites, appelées nanodiamants. Ces particules possèdent des propriétés particulières qui peuvent leur permettre, lorsqu’elles sont éclairées, de participer à des réactions chimiques. Les scientifiques ont comparé plusieurs types de nanodiamants, obtenus par différentes méthodes de fabrication et dont la surface a été modifiée soit avec de l’oxygène, soit avec de l’hydrogène. Ils les ont placés dans de l’eau contenant du PFOA, puis ont exposé le mélange à une lampe produisant une lumière de type solaire. En analysant régulièrement l’eau, ils ont suivi la disparition du polluant, mais aussi les substances formées au cours de sa dégradation.
Les résultats montrent que tous les nanodiamants ne se comportent pas de la même manière. Ceux dont la surface est traitée à l’hydrogène se révèlent actifs, particulièrement lorsqu’ils sont obtenus par broyage de cristaux de diamant. Dans les conditions les plus favorables étudiées, le PFOA initial disparaît en moins de 40 minutes. Mais faire disparaître une molécule ne signifie pas nécessairement l’avoir entièrement décomposée : elle peut simplement s’être transformée en d’autres substances, parfois encore fluorées et potentiellement tout aussi problématiques pour l’environnement. Pour vérifier ce qui se passe réellement, les chercheurs ont également mesuré la quantité de fluor libérée sous forme d’ions fluorure. Après environ 100 minutes, cette quantité atteint pratiquement la totalité du fluor initialement présent dans le PFOA. Autre résultat encourageant : les mêmes nanodiamants ont pu être réutilisés quatre fois sans perte notable de leur efficacité pour dégrader le polluant.
Comment expliquer cette efficacité ? Les analyses montrent que le PFOA se transforme progressivement en molécules dont la chaîne de carbone devient de plus en plus courte. D’autres produits détectés suggèrent également qu’une partie des atomes de fluor est remplacée par des groupes composés d’oxygène et d’hydrogène, même si leur identification précise reste à confirmer. Ces transformations semblent favorisées par deux caractéristiques des nanodiamants étudiés. D’une part, leur surface attire davantage les molécules de PFOA, facilitant leur rencontre. D’autre part, leurs propriétés électroniques permettent de libérer, sous l’effet de la lumière, des électrons particulièrement réactifs, capables de contribuer à la rupture des liaisons carbone-fluor. Ce mécanisme reste toutefois à préciser par des expériences complémentaires. L’étude souligne ainsi l’importance de la manière dont les nanodiamants sont fabriqués et dont leur surface est préparée.
Enfin, les chercheurs ont montré que la dégradation ne nécessite pas obligatoirement les ultraviolets les plus énergétiques, généralement absents du rayonnement solaire atteignant le sol. Elle se produit également, bien que plus lentement, avec des longueurs d’onde présentes dans la lumière du soleil (UV A et B). Les nanodiamants restent aussi efficaces en présence d’oxygène dans l’eau. Ces propriétés font des nanodiamants hydrogénés une piste intéressante pour développer des traitements capables de décomposer certains polluants persistants plutôt que de simplement les retenir. Avant d’envisager une application au traitement des eaux, il faudra toutefois vérifier leur efficacité sous un ensoleillement naturel et dans des eaux réellement contaminées, à des concentrations représentatives de l’environnement. Cette étude contribue ainsi à mieux comprendre comment les propriétés d’un matériau carboné peuvent être mises à profit pour s’attaquer à des molécules particulièrement difficiles à dégrader.
Référence
Rafaël Jimenez, Caroline Genre, Charlène Boillereau, Sophie Peulon, Jean-Charles Arnault et Hugues A. Girard.
« Standalone nanocarbon photocatalyst for a complete and fast photodegradation of PFOA to fluorine ions under solar-type illumination ». Carbon, 260 (2026).
Contact
- Hugues Girard et Jean-Charles Arnault, chercheurs au Laboratoire Édifices Nanométriques – LEDNA au NIMBE.