Vue d'ensemble des nanotrusses de Fe recouvrant la surface et le bord d'un substrat de Si. Crédit :Robert Boyd et Thor Balkhed
Des chercheurs suédois ont découvert un moyen nouveau et efficace d'utiliser l'électrocatalyse pour produire de l'hydrogène gazeux à partir de l'eau. Au lieu d'utiliser des électrodes de platine coûteuses et difficiles à obtenir, la nouvelle méthode utilise des électrodes avec des structures nanotruss d'oxyde de fer. La recherche est dirigée par le professeur Ulf Helmersson.
Le groupe de recherche Plasma and Coatings Physics de l'Université de Linköping fabrique des couches minces de nanomatériaux. Pour faire ça, les chercheurs utilisent une technique connue sous le nom de « pulvérisation au plasma pulsé ». Le processus de base, pulvérisation, est une méthode de revêtement couramment utilisée dans l'industrie et la recherche. Les atomes sont pulvérisés sur un substrat dans une chambre pour former une fine couche d'épaisseur constante, à l'aide de gaz ionisé. Les chercheurs de LiU ont développé la technique et utilisent des impulsions courtes mais très efficaces d'un plasma afin de provoquer la croissance des nanoparticules des atomes pulvérisés. Les nanoparticules croissent en flottant dans le gaz.
Cependant, dans l'une des expériences menées par Sebastian Ekeroth, doctorant en physique des plasmas et des revêtements, le matériau s'est avéré s'être formé au mauvais endroit.
"On aurait dit que des débris traînaient dans la chambre. J'en ai examiné une partie au microscope et j'ai vu un faisceau emmêlé de nanofils, " il se souvient.
Le professeur Ulf Helmersson a réalisé l'importance des résultats, et un nouveau domaine de recherche basé sur les nanostructures ferromagnétiques a été fondé.
Les chercheurs du monde entier s'intéressent de plus en plus aux nanoparticules ferromagnétiques et à la manière dont elles peuvent être produites, en particulier dans divers types de solution. Ces matériaux magnétiques deviennent de plus en plus intéressants pour le stockage d'énergie (avec un intérêt particulier pour le stockage d'énergie à partir de sources renouvelables), catalyse, et la synthèse de produits chimiques.
Zoomez sur l'extrémité d'un nanotruss où les nanofils individuels sont clairement visibles. Crédit :Linköping Universitet
Le groupe à LiU, en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Umeå, a développé une méthode pour contrôler la production de nanostructures ferromagnétiques à l'aide de la pulvérisation plasma pulsée. Le résultat a été publié dans la prestigieuse revue Nanolettres .
Dans ce cas, Sebastian Ekeroth a utilisé de l'argon ionisé introduit dans une chambre avec une cathode en fer et une anode en acier inoxydable. Des atomes de fer sont pulvérisés à partir de la cathode et forment des nanoparticules d'un diamètre d'environ 20 nm. Un champ magnétique appliqué provoque les particules de fer, qui sont intrinsèquement magnétiques, se réunir et former une structure en treillis stable et bien définie, à la fois sur papier et sur surfaces métalliques.
La structure complète, avec tous ses angles et ses nœuds, est également recouvert d'une couche d'oxyde de fer d'épaisseur 2 nm, lorsque la structure est exposée à l'air.
"La manière dont les particules de fer s'accrochent les unes aux autres donne une structure très stable. L'environnement dans un électrolyte peut être très agité. Si la conductivité doit être préservée jusqu'à la fin du processus, il est important que la structure ne se brise pas, " dit Sébastien Ekeroth.
La méthode peut également être utilisée pour de grandes surfaces.
"La méthode convient aux applications dans lesquelles un matériau tridimensionnel est nécessaire sur de grandes surfaces, " dit Ulf Helmersson.
Crédit :Linköping Universitet
Les chercheurs décrivent dans l'article de Nanoletters comment ils ont utilisé avec succès une cathode avec des nanostructures d'oxyde de fer à la surface d'une couche conductrice de papier carbone pour décomposer l'eau en hydrogène et oxygène.
Cette électrode présente de nombreux avantages par rapport aux électrodes coûteuses fabriquées à partir du platine difficile à obtenir. La nouvelle électrode est légère, peut être plié, a une grande capacité, et est composé uniquement de substances respectueuses de l'environnement et faciles à trouver, à savoir le fer, l'oxygène et le carbone.
L'hydrogène gazeux a un contenu énergétique élevé. Lorsque l'énergie chimique de l'hydrogène est convertie en énergie électrique dans une pile à combustible, le seul déchet formé est l'eau. L'intérêt pour les piles à combustible ne cesse de croître, principalement pour des raisons environnementales. Cependant, 96 % de l'hydrogène produit actuellement provient de sources non renouvelables. La chasse est ouverte pour des méthodes de production d'hydrogène plus respectueuses de l'environnement. Ce dernier est également un vecteur énergétique potentiel, et donc un support possible pour stocker l'énergie obtenue à partir, par exemple, sources solaires ou éoliennes.
"La production d'hydrogène est une application importante, mais nous cherchons aussi
dans d'autres régions, comme les électrodes dans les batteries, dans les supercondensateurs, et pour une utilisation en photocatalyse, " dit Ulf Helmersson.
