Selon une équipe internationale de chercheurs, démontrer qu'un matériau que l'on pense être toujours chimiquement inerte, le nitrure de bore hexagonal (hBN), peut devenir chimiquement actif offre un potentiel pour une nouvelle classe de catalyseurs avec un large éventail d'applications.

hBN est un matériau en couches et les monocouches peuvent être exfoliées comme dans le graphène, un autre matériau bidimensionnel. Cependant, il existe une différence essentielle entre les deux.

"Alors que hBN partage une structure similaire à celle du graphène, les fortes liaisons polaires entre les atomes de bore et de nitrure rendent le hBN différent du graphène en ce sens qu'il est chimiquement inerte et thermiquement stable à haute température", a déclaré Yu Lei, chercheur postdoctoral en physique à Penn State et premier co-auteur de l'étude publiée dans Materials Today.

Si le hBN était chimiquement actif et non inerte, cela permettrait plus d'utilisations, notamment en étant un support de catalyseur utile et rentable similaire au graphène. Cela serait utile pour des applications pratiques comme dans une automobile à essence ou pour convertir le carbone afin d'aider à réduire les gaz à effet de serre vers d'autres produits.

"Le convertisseur catalytique de votre voiture à essence contient du platine, un métal précieux, pour traiter la conversion des gaz nocifs en gaz moins nocifs", a déclaré Jose Mendoza-Cortes, professeur adjoint de génie chimique et de science des matériaux à la Michigan State University. "Cependant, cela coûte cher car vous devez mettre beaucoup d'atomes de platine pour la catalyse. Imaginez maintenant que vous n'ayez besoin d'en mettre qu'un ou deux, et que vous obteniez toujours les mêmes performances."

Le platine est également utilisé comme catalyseur pour de nombreux autres types de réactions chimiques pratiques, et les atomes de platine qui effectuent la conversion sont généralement à la surface, tandis que ceux ci-dessous sont juste là comme support structurel.

"Dans cette étude, nous avons utilisé du hBN défectueux comme support structurel, qui est moins cher, tout en exposant la majeure partie de l'atome de platine pour effectuer des réactions chimiques", a déclaré Mendoza-Cortes.

Les défauts du hBN sont la clé de l'activité chimique du matériau. Les chercheurs ont créé des défauts, de minuscules trous, dans les matériaux via un processus appelé cryobroyage, qui consiste à sur-refroidir un matériau puis à le réduire par broyage cryogénique.

Les trous sont si petits qu'ils ne peuvent contenir qu'un ou deux atomes d'un métal précieux à la fois. En mélangeant un sel métallique, des nanostructures aussi petites qu'un atome ou deux sur le substrat hBN peuvent être déposées, en raison de la réactivité du hBN rempli de trous.

« Puisque le nitrure de bore ne réagit avec rien, vous pouvez utiliser ce hBN « troué » comme support pour les catalyseurs si vous réduisez un sel de platine, d'or ou d'argent en atomes uniques et les placez dans des défauts (trous) sur le nitrure de bore. surface », a déclaré Maurico Terrones, professeur de physique Verne M. Willaman et professeur de chimie et de science des matériaux à Penn State. "C'est quelque chose d'entièrement nouveau, et c'est ce que nous avons démontré ici."

Démontrer cela était important, car on croyait auparavant qu'un matériau aussi inerte ne pourrait jamais devenir chimiquement actif.

"La partie la plus difficile de ce projet a été de convaincre la communauté des chercheurs qu'un matériau aussi inerte que le hBN peut être activé pour avoir une réactivité chimique et servir de support catalyseur", a déclaré Lei. "Au cours du processus d'examen de notre étude, des expériences supplémentaires suggérées par les examinateurs ont amélioré le travail et aidé à convaincre la communauté."

Les expériences impliquaient l'utilisation d'équipements haut de gamme dans le laboratoire de caractérisation des matériaux (MCL), qui fait partie du Materials Research Institute de Penn State. Les calculs informatiques et théoriques ont été effectués au laboratoire Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) et à l'Institute for Cyber-Enabled Research de la Michigan State University.

"Alors, nous voulions savoir quel type de défauts nous avions dans le matériau, et comment pouvons-nous démontrer que nous avons les défauts et que ce n'est pas autre chose?" dit Terrones. "Nous avons donc effectué toutes ces différentes caractérisations très détaillées, y compris le rayonnement synchrotron, pour démontrer que ce que nous avions était en fait du platine à un seul atome, et non des amas de platine."

Au-delà des expériences, l'équipe a également utilisé la modélisation pour prouver son concept.

"Nous avons montré et prouvé par calcul et expérimentalement que nous pouvons faire des trous si petits qu'ils ne peuvent contenir qu'un ou deux atomes de métaux précieux à la fois", a déclaré Mendoza-Cortes.

Le potentiel d'applications du hBN chimiquement actif est varié, y compris des catalyseurs, un stockage d'énergie et des capteurs plus rentables. En outre, il est possible que leur technique puisse être utilisée pour activer d'autres matériaux inertes ou utiliser d'autres métaux (précieux).

"Je pense que nous montrons qu'un matériau censé être inerte peut être activé en créant et en contrôlant des défauts sur le matériau", a déclaré Terrones. "Nous avons démontré que la chimie nécessaire se produit au niveau atomique. Si cela fonctionne pour le nitrure de bore, cela devrait fonctionner pour tout autre matériau."