En combinant plusieurs nanomatériaux en une seule structure, les scientifiques peuvent créer des matériaux hybrides qui incorporent les meilleures propriétés de chaque composant et surpassent n'importe quelle substance unique. Une méthode contrôlée de fabrication de nanostructures creuses à trois couches a maintenant été développée au KAUST. Les structures hybrides consistent en un noyau organique conducteur pris en sandwich entre des couches de métaux électrocatalytiquement actifs :leurs utilisations potentielles vont des meilleures électrodes de batterie à la production de carburant renouvelable.

Bien qu'il existe plusieurs méthodes pour créer des matériaux à deux couches, faire des structures à trois couches s'est avéré beaucoup plus difficile, dit Peng Wang du Centre de dessalement et de réutilisation de l'eau qui a codirigé la recherche actuelle avec le professeur Yu Han, membre du Centre Advanced Membranes and Porous Materials de la KAUST. Les chercheurs ont développé un nouveau approche à double modèle, explique Sifei Zhuo, membre postdoctoral de l'équipe de Wang.

Les chercheurs ont fait pousser leur nanomatériau hybride directement sur du papier carbone, un tapis de fibres de carbone électriquement conductrices. Ils ont d'abord produit une forêt hérissée de nanofils de nickel cobalt hydroxyle carbonate (NiCoHC) sur la surface de chaque fibre de carbone (image 1). Chaque petit poil inorganique était recouvert d'une couche organique appelée graphdiyne à hydrogène substitué (HsGDY) (image 2).

Vient ensuite l'étape clé du double modèle. Lorsque l'équipe a ajouté un mélange chimique qui réagit avec le NiCoHC interne, le HsGDY a agi comme une barrière partielle. Certains ions nickel et cobalt de la couche interne se sont diffusés vers l'extérieur, où ils ont réagi avec le thiomolybdate de la solution environnante pour former le nickel externe, MoS co-dopé au cobalt 2 (Non, Co-MoS 2 ) couche. Pendant ce temps, certains ions soufre des produits chimiques ajoutés se sont diffusés vers l'intérieur pour réagir avec le nickel et le cobalt restants. La substance résultante (image 3) avait la structure Co 9 S 8 , Ni 3 S 2 @HsGDY@Ni, Co-MoS 2 , dans laquelle la couche conductrice organique de HsGDY est prise en sandwich entre deux couches inorganiques (image 4).

Le matériau triple couche a montré de bonnes performances pour briser électrocatalytiquement les molécules d'eau pour générer de l'hydrogène, un carburant renouvelable potentiel. Les chercheurs ont également créé d'autres matériaux à triple couche en utilisant l'approche à double gabarit

"Ces nanostructures à trois couches ont un grand potentiel de conversion et de stockage d'énergie, " dit Zhuo. " Nous pensons qu'il pourrait être étendu pour servir d'électrode prometteuse dans de nombreuses applications électrochimiques, comme dans les supercondensateurs et les batteries sodium-/lithium-ion, et pour une utilisation dans le dessalement de l'eau."