Des chercheurs du MIT ont mis au point une méthode pour contrôler avec précision la taille, la composition et d’autres propriétés des nanoparticules, essentielles aux réactions impliquées dans diverses technologies d’énergie propre et environnementale.
Cette méthode pourrait ouvrir la chemin à des avancées significatives dans plusieurs technologies, de la production d’électricité sans CO2 aux piles à combustible, en passant par la production d’hydrogène propre pour l’industrie chimique.
Les chercheurs ont utilisé l’irradiation ionique, une technique dans laquelle des faisceaux de particules chargées bombardent un matériau, pour créer des nanoparticules. Ils ont démontré que les nanoparticules créées de cette manière présentent des performances supérieures à celles de leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle.
« Les matériaux sur lesquels nous avons travaillé pourraient faire progresser plusieurs technologies, des piles à combustible pour générer de l’électricité sans CO2 à la production d’hydrogène propre pour l’industrie chimique [par le biais de cellules d’électrolyse] », précise Bilge Yildiz, professeur au département de science et d’ingénierie nucléaires et au département de science et d’ingénierie des matériaux du MIT.
Catalyseur critique et ex-solution métallique
Les piles à combustible et l’électrolyse impliquent toutes deux des réactions électrochimiques à travers trois parties principales : deux électrodes (une cathode et une anode) séparées par un électrolyte. Les électrodes sont revêtues de catalyseurs, ou matériaux qui accélèrent les réactions impliquées. Un catalyseur critique composé de matériaux d’oxyde métallique a été limité par des défis, notamment une faible longévité.
Entrez dans l’exsolution métallique, qui implique la précipitation de nanoparticules métalliques hors d’un oxyde hôte sur la surface de l’électrode. Les particules s’incrustent dans l’électrode, « et cette ancrage les rend plus stables », dit Bilge Yildiz.
En conséquence, l’exsolution a « conduit à des progrès remarquables dans la conversion d’énergie propre et les dispositifs informatiques économes en énergie », écrivent les chercheurs dans leur article.
Contrôle des propriétés des nanoparticules
Contrôler les propriétés précises des nanoparticules résultantes a toutefois été difficile. « Nous savons que l’exsolution peut nous donner des nanoparticules stables et actives, mais la partie difficile est vraiment de la contrôler. La nouveauté de ce travail est que nous avons trouvé un outil – l’irradiation ionique – qui peut nous donner ce contrôle », ajoute Jiayue Wang, premier auteur de l’article. Ce dernier a mené le travail tout en obtenant son doctorat au département de science et d’ingénierie nucléaires du MIT, est maintenant chercheur postdoctoral à Stanford.
Sossina Haile, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Northwestern, qui n’a pas participé au travail actuel, indique : « Les nanoparticules métalliques servent de catalyseurs dans toute une série de réactions, y compris la réaction importante de division de l’eau pour générer de l’hydrogène pour le stockage de l’énergie. Dans ce travail, Yildiz et ses collègues ont créé une méthode ingénieuse pour contrôler la façon dont les nanoparticules se forment. »
Résultats de la recherche
Les chercheurs ont découvert qu’en dirigeant un faisceau d’ions sur l’électrode tout en exsolvant simultanément des nanoparticules métalliques sur la surface de l’électrode, ils pouvaient contrôler plusieurs propriétés des nanoparticules résultantes.
« Grâce aux interactions ion-matière, nous avons réussi à ingénier la taille, la composition, la densité et l’emplacement des nanoparticules exsolées », écrit l’équipe dans Energy & Environmental Science.
Par exemple, ils ont pu rendre les particules beaucoup plus petites – jusqu’à deux milliardièmes de mètre de diamètre – que celles fabriquées en utilisant uniquement des méthodes d’ex-solution thermique conventionnelles. De plus, ils ont pu changer la composition des nanoparticules en les irradiant avec des éléments spécifiques.
Ils ont démontré cela avec un faisceau d’ions de nickel qui a implanté du nickel dans la nanoparticule métallique exsolée. En conséquence, ils ont démontré une manière directe et pratique d’ingénier la composition des nanoparticules exsolées.
En synthèse
En somme, cette recherche représente une avancée significative dans le contrôle des nanoparticules, qui sont essentielles à de nombreuses technologies d’énergie propre et environnementale. L’irradiation ionique offre un outil précieux pour contrôler la taille, la composition et d’autres propriétés des nanoparticules, ouvrant la voie à des améliorations potentielles dans la production d’électricité sans CO2, les piles à combustible et la production d’hydrogène propre pour l’industrie chimique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’irradiation ionique ?
L’irradiation ionique est une technique dans laquelle des faisceaux de particules chargées bombardent un matériau. Elle a été utilisée par les chercheurs du MIT pour créer des nanoparticules avec des propriétés précises.
Qu’est-ce que l’exsolution métallique ?
L’exsolution métallique est un processus qui implique la précipitation de nanoparticules métalliques hors d’un oxyde hôte sur la surface de l’électrode. Ce processus rend les nanoparticules plus stables.
Quels sont les avantages des nanoparticules créées par irradiation ionique ?
Les nanoparticules créées par irradiation ionique ont montré des performances supérieures à celles de leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle. Elles ont une taille, une composition, une densité et un emplacement plus précis.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Cette recherche pourrait faire progresser plusieurs technologies, de la production d’électricité sans CO2 aux piles à combustible, en passant par la production d’hydrogène propre pour l’industrie chimique.
Quels sont les défis restants ?
Malgré les avancées, le contrôle précis des propriétés des nanoparticules reste un défi. De plus, la longévité des catalyseurs à base d’oxyde métallique reste un problème à résoudre.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| L’irradiation ionique permet de contrôler précisément la taille, la composition et d’autres propriétés des nanoparticules. |
| Les nanoparticules créées par irradiation ionique ont des performances supérieures à celles fabriquées de manière conventionnelle. |
| L’exsolution métallique rend les nanoparticules plus stables. |
| Cette recherche pourrait faire progresser plusieurs technologies, notamment la production d’électricité sans CO2 et la production d’hydrogène propre. |
| Les chercheurs ont réussi à rendre les nanoparticules beaucoup plus petites – jusqu’à deux milliardièmes de mètre de diamètre. |
| Ils ont pu changer la composition des nanoparticules en les irradiant avec des éléments spécifiques. |
| L’irradiation ionique forme des défauts dans l’électrode elle-même, fournissant des sites de nucléation supplémentaires. |
| L’irradiation ionique pourrait permettre un contrôle spatial extrême sur les nanoparticules. |
| Le contrôle précis des propriétés des nanoparticules reste un défi. |
| La longévité des catalyseurs à base d’oxyde métallique reste un problème à résoudre. |
Références
Légende illustration principale : Représentation artistique de nanoparticules de compositions différentes créées en combinant deux techniques : l’exsolution métallique et l’irradiation ionique. Les différentes couleurs représentent différents éléments, tels que le nickel, qui peuvent être implantés dans une particule métallique exsolue afin d’adapter la composition et la réactivité de la particule. Credit: Jiayue Wang
Les travaux ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science.
