Ils sont minuscules et comprennent sphériques, particules en forme de feuille ou fibreuses. Et ils se composent principalement de l'élément chimique carbone. L'exposé ici porte sur les nanostructures de carbone inhabituelles que les scientifiques de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces de Potsdam-Golm produisent actuellement avec une nouvelle méthode. Les chercheurs ont déjà montré que leurs nanostructures possèdent des propriétés catalytiques intéressantes :par exemple, ils peuvent réduire l'énergie nécessaire pour décomposer l'eau par électrolyse. C'est une propriété utile pour le stockage d'énergie renouvelable. Et parce que ces nanoparticules contiennent une grande porosité, les scientifiques pensent qu'ils pourraient également être utilisés pour stocker des gaz, comme le dioxyde de carbone et dans d'autres applications.

Si vous laissez une pizza au four trop longtemps, la pâte devient noire. Pendant le processus de carbonisation, les constituants organiques de la pâte sont convertis en espèces à haute teneur en carbone. Bien que l'effet soit indésirable dans la cuisine, c'est en fait le but principal de certains procédés industriels. Un exemple de carbonisation est la conversion du charbon en coke pour augmenter la teneur en carbone. Suies industrielles, tels que ceux utilisés comme pigments dans les pneus de voiture, ont également une teneur élevée en carbone grâce à une combustion incomplète contrôlée.

Depuis quelques années, les scientifiques travaillent sur la synthèse contrôlée de nanomatériaux riches en carbone. Parce que ces particules sont très poreuses, ont une grande surface spécifique et dans certains cas sont également de bons conducteurs électriques, ils ont de nombreuses applications potentielles. En utilisant des techniques courantes, des particules typiquement sphériques sont obtenues. A l'aide d'une nouvelle méthode, des chercheurs de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces de Potsdam-Golm ont maintenant réussi à produire des nanostructures non seulement sphériques, mais également en forme de feuille et fibreuses.

Les substances de départ déterminent la structure des particules

Les chercheurs ont commencé avec un total de dix solvants organiques différents, dont ils ont ensuite carbonisé chacun. "Nous avons découvert que nous pouvons contrôler la structure spatiale des particules résultantes en sélectionnant des substances de départ appropriées, " dit Tim Fellinger, qui dirige le Groupe Carbone et Énergie à l'Institut Max Planck de Potsdam.

Non seulement son groupe a produit une variété de nanostructures de carbone, ils ont également trouvé des moyens d'introduire sélectivement des éléments autres que le carbone dans les produits. Par exemple, solvants contenant de l'azote ou du soufre, tels que la pyridine et le diméthylsulfoxyde, aboutir à des nanostructures contenant jusqu'à 15 pour cent d'azote ou de soufre en poids. En introduisant des additifs appropriés, les chercheurs ont même pu incorporer des métaux comme le nickel, cobalt et zinc pour produire des nanocomposites.

Composites nickel-carbone comme catalyseurs d'hydrolyse

Les premières expériences avec les produits nanostructurés ont découvert de nombreuses propriétés utiles. Parce que Fellinger's Group explore également des solutions de stockage d'énergie, ils étudient l'utilisation catalytique des nanocarbones dans l'hydrolyse électrochimique de l'eau. Dans cette application, les nanocomposites nickel-carbone en particulier se sont révélés aussi efficaces que les catalyseurs classiques. "Mais ils seraient probablement plus économiques à produire que les catalyseurs à base d'iridium couramment utilisés aujourd'hui, " dit Fellinger. L'hydrolyse peut être utilisée, par exemple, pour stocker l'énergie électrique excédentaire sous forme d'hydrogène pendant de brèves périodes. "Avec des catalyseurs économiques, la production décentralisée d'hydrogène à la demande est également envisageable, » ajoute Fellinger. Les risques emportés avec le transport du gaz appartiendraient alors au passé.

Les scientifiques ont été impressionnés par la porosité de leurs nanostructures et la capacité des particules de carbone à adsorber les gaz. Certains produits ont même mieux adsorbé les gaz que le charbon actif du commerce, qui a été optimisé à cet effet. Tim Fellinger trouve cela remarquable :contrairement au charbon actif, aucune mesure n'est prise pendant le processus de carbonisation pour augmenter la capacité d'adsorption. Fellinger pense que cela ouvre une multitude d'applications potentielles. Par exemple, les nouvelles particules pourraient s'avérer utiles dans le développement de batteries de nouvelle génération, par exemple. batteries lithium-soufre ou lithium-air.

Une nouvelle voie de synthèse produit une variété structurelle

Deux approches ont été essentielles pour atteindre la variété structurelle et les propriétés utiles des nanostructures, qui étaient tous deux des territoires inexplorés. D'abord, les chercheurs ont réalisé une carbonisation instantanée à haute température à l'état liquide. Ils ont utilisé un milieu réactionnel peu commun de sels fondus à plus de 500 degrés, par exemple le chlorure de zinc liquide. Seconde, ils carbonisaient des matières premières liquides. Précédemment, les solides étaient principalement carbonisés, car les températures élevées requises provoqueraient l'évaporation des liquides organiques. À cette fin, les chercheurs injectent simplement des solvants du commerce peu coûteux dans le sel liquide.

"Évidemment, les molécules liquides se dissocient au contact du bain, avant même de pouvoir s'évaporer, " explique Tim Fellinger. " Les produits dissociés se combinent alors vraisemblablement pour former de plus grosses molécules riches en carbone en quelques nanosecondes. " La fonte du chlorure de zinc semble stabiliser ce processus. Parce que les sels fondus sont des fluides ioniques chauds, les chimistes ont inventé le terme de synthèse ionothermique pour décrire les synthèses dans de tels milieux. Ces procédés se sont déjà révélés utiles en chimie inorganique. Les chercheurs de Max Planck à Potsdam l'explorent comme méthode de carbonisation.

Après la réaction, ils ajoutent simplement de l'acide chlorhydrique dilué au mélange refroidi. Pendant que le sel dans le mélange est dissous par l'acide, les nanocarbones – sous forme de noir, poudre duveteuse - reste derrière et est facilement filtrée. La microscopie électronique à balayage permet de montrer les différentes nanostructures des produits obtenus. Par exemple, acétonitrile, le benzonitrile et le diméthylsulfoxyde ont donné naissance à des produits sphériques, que l'on trouve dans les suies industrielles conventionnelles. Cependant, l'égouttement d'éthylène glycol ou de glycérol dans le sel fondu produit des particules en forme de feuille. D'autres liquides tels que l'éthanol, l'acétone et la pyridine donnent des ramifications, produits fibreux interconnectés. Les particules de carbone sphériques ont un diamètre de dix nanomètres, tandis que les structures de type fibre mesurent jusqu'à 120 nanomètres de long.

Les sels fondus agissent comme des lubrifiants et des détergents

Bien que les mécanismes précis soient encore une question de spéculation, Tim Fellinger pense que le nouveau spectre de structures de particules est tout à fait plausible :« Nous soupçonnons que le sel fondu agit comme une sorte de lubrifiant, augmentant la mobilité des fragments organiques." Cette mobilité, à son tour, conduit à plus de façons dont les blocs de construction peuvent être disposés, il explique. La vitesse à laquelle cela se produit peut différer d'un solvant à l'autre, et c'est une des raisons de la variété des structures. Le chimiste et expert en nanostructure pense également qu'un autre facteur est à l'œuvre :« Le sel réduit la tension de surface. Cela signifie que les fragments de carbone n'ont plus à prendre une forme sphérique pour minimiser leur surface - tout comme l'eau ne forme plus de gouttes sur les surfaces après l'ajout de détergent.

Les chercheurs pensent également que les ions sels sont responsables de la porosité impressionnante de leurs nanocarbones :en raison de la faible tension de surface, le sel et le carbone ont de grandes surfaces de contact lors de la synthèse. "Après avoir séparé le sel, de nombreux pores subsistent, ", explique Fellinger.

Les chercheurs ont une mine de nouvelles idées à explorer. Compte tenu du grand nombre de sels inorganiques et de solvants organiques pouvant être associés à la nouvelle technique, il y aura probablement beaucoup plus de variantes composites personnalisées avec des applications utiles. Les chercheurs prévoient maintenant d'expérimenter d'autres combinaisons sel-solvant. Ils prévoient également d'étudier de plus près si les feuilles et fibres de carbone qu'ils ont découvertes présentent des avantages par rapport aux structures sphériques dans des applications spécifiques. "Dans tous les cas, nous disposons désormais d'un nouvel outil de carbonisation polyvalent sous la forme de l'injection à chaud de solvants facilement disponibles combinée à une synthèse ionothermique, " dit Tim Fellinger.