Une technique simplifiée pour fabriquer des nanocristaux de dioxyde de cérium (CeO2), qui ont des applications technologiques et industrielles de grande envergure, a été "de façon inattendue" démontrée par un chimiste de l'UNSW.

L'étude menée par l'UNSW révèle que les nanocristaux se forment naturellement lorsqu'un matériau précurseur - le cérium (IV) - est dissous et hydrolysé dans l'eau. C'est la première fois que ce processus de formation est observé.

Les résultats, signalé dans Chimie – Une revue européenne , pourrait simplifier le processus de production existant, ce qui nécessite un chauffage et l'ajout de produits chimiques pour mieux contrôler la forme et la taille des cristaux.

"La découverte la plus importante est que le cérium (IV) a une nature intrinsèque pour former des nanocristaux de taille uniforme de dioxyde de cérium d'environ deux à trois nanomètres dans une solution aqueuse par hydrolyse, ", déclare l'auteur principal, le Dr Atsushi Ikeda-Ohno de l'École de génie civil et environnemental de l'UNSW.

"Les résultats de cette étude fournissent un concept de base pour simplifier et alléger le processus de production et signifie que nous n'avons qu'à ajuster le pH de la solution aqueuse… sans chauffer ni ajouter de produits chimiques, ", dit-il. "Cela pourrait économiser de l'argent sur les coûts énergétiques et aider à réduire l'impact environnemental de l'ensemble du processus de production."

Les nanocristaux de dioxyde de cérium sont formés à partir de l'élément de terre rare cérium. Ils sont utilisés comme catalyseurs pour traiter les gaz dangereux – convertissant les fumées toxiques en émissions moins nocives ; comme électrodes dans les piles à combustible; et dans les écrans solaires et les cosmétiques en raison de leur capacité à absorber des niveaux élevés de rayonnement UV.

Il y a un intérêt croissant pour la fabrication de ces matériaux, compte tenu de leurs nombreuses applications, mais les mécanismes qui régissent leur formation sont relativement peu connus. Ces mécanismes sont directement liés à la capacité de contrôler leur forme et leur taille, caractéristiques qui régissent la fonctionnalité d'un cristal.

L'un des plus grands obstacles à l'étude de ces mécanismes de formation a été le manque d'outils analytiques pour le faire in situ, dit Ikeda-Ohno.

Son étude était initialement axée sur l'observation de l'effet de l'hydrolyse sur le cérium (IV) et le développement d'une stratégie analytique améliorée, en utilisant une combinaison d'outils spectroscopiques, d'observer et de mieux comprendre le processus de formation. Mais alors quelque chose d'inattendu s'est produit.

"Lorsque j'ai étudié pour la première fois des solutions apparemment transparentes de cérium (IV) à différents pH en utilisant une technique aux rayons X, j'ai réalisé que les solutions n'étaient pas composées de simples espèces dissoutes… mais contenaient de très petites particules colloïdales qui ne sont pas visuellement reconnaissables, " il a dit.

Après avoir appliqué des techniques spectroscopiques et microscopiques supplémentaires pour caractériser ces particules mystérieuses, il a déterminé qu'il s'agissait en fait de nanocristaux de dioxyde de cérium.

"En conséquence, nous avons réussi à observer l'ensemble du processus d'évolution des espèces précurseurs en nanocristaux de dioxyde de cérium, " indique le rapport.

"Dans cette étude, j'ai démontré qu'une combinaison de techniques analytiques avancées, en particulier les techniques de rayons X basées sur le synchrotron… fournissent un outil très puissant pour sonder l'évolution des nanocristaux métalliques in-situ, " dit Ikeda-Ohno.

"Une compréhension complète du processus" d'évolution "de l'espèce précurseur aux nanocristaux résultants nous permet peut-être d'adapter ces matériaux aux besoins pratiques."

La prochaine étape vers la réalisation de la technique de fabrication basée sur l'hydrolyse consiste à identifier la condition de pH critique à laquelle les nanocristaux commencent à se former. Ikeda-Ohno dit que l'approche qu'il a développée pourrait être utilisée à cette fin, et pourrait également être appliqué à d'autres nanocristaux métalliques.