Les chercheurs et collègues du MIT ont démontré un moyen de contrôler avec précision la taille, la composition et d’autres propriétés des nanoparticules essentielles aux réactions impliquées dans diverses technologies énergétiques et environnementales propres. Ils y sont parvenus en tirant parti de l'irradiation ionique, une technique dans laquelle des faisceaux de particules chargées bombardent un matériau.
Ils ont ensuite montré que les nanoparticules créées de cette manière ont des performances supérieures à celles de leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle.
"Les matériaux sur lesquels nous avons travaillé pourraient faire progresser plusieurs technologies, depuis les piles à combustible jusqu'à la génération de CO2 -de l'électricité gratuite pour la production de matières premières d'hydrogène propre pour l'industrie chimique [grâce à des cellules d'électrolyse]", déclare Bilge Yildiz, responsable des travaux et professeur au Département de science et d'ingénierie nucléaires et au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT.
Les piles à combustible et les piles à électrolyse impliquent toutes deux des réactions électrochimiques à travers trois parties principales :deux électrodes (une cathode et une anode) séparées par un électrolyte. La différence entre les deux cellules est que les réactions impliquées se déroulent à l'envers.
Les électrodes sont recouvertes de catalyseurs ou de matériaux qui accélèrent les réactions impliquées. Mais un catalyseur critique constitué de matériaux à base d’oxyde métallique a été limité par des défis, notamment une faible durabilité. "Les particules métalliques du catalyseur grossissent à haute température, ce qui entraîne une perte de surface et d'activité", explique Yildiz, également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux et auteur d'un article sur les travaux publiés dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .
Entrez l'exsolution métallique, qui consiste à précipiter des nanoparticules métalliques hors d'un oxyde hôte sur la surface de l'électrode. Les particules s'incrustent dans l'électrode, "et cet ancrage les rend plus stables", explique Yildiz. En conséquence, l'exsolution a « conduit à des progrès remarquables dans la conversion d'énergie propre et dans les appareils informatiques économes en énergie », écrivent les chercheurs dans leur article.
Cependant, contrôler les propriétés précises des nanoparticules résultantes s’est avéré difficile. "Nous savons que l'exsolution peut nous donner des nanoparticules stables et actives, mais le défi est vraiment de les contrôler. La nouveauté de ce travail est que nous avons trouvé un outil - l'irradiation ionique - qui peut nous donner ce contrôle", explique Jiayue. Wang, premier auteur de l'article. Wang, qui a mené les travaux tout en obtenant son doctorat au MIT. au Département de science et d'ingénierie nucléaires, est maintenant chercheur postdoctoral à Stanford.
Sossina Haile est professeur Walter P. Murphy de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Northwestern. Haile, qui n'a pas participé aux travaux en cours, explique :« Les nanoparticules métalliques servent de catalyseurs dans toute une série de réactions, y compris l'importante réaction de division de l'eau pour générer de l'hydrogène pour le stockage d'énergie. Dans ce travail, Yildiz et ses collègues ont créé un ingénieux méthode pour contrôler la façon dont les nanoparticules se forment."
Haile poursuit :« La communauté a montré que l'exsolution aboutissait à des nanoparticules structurellement stables, mais le processus n'est pas facile à contrôler, donc on n'obtient pas nécessairement le nombre et la taille optimaux de particules. Grâce à l'irradiation ionique, ce groupe a pu précisément contrôler les caractéristiques des nanoparticules, ce qui se traduit par une excellente activité catalytique pour la division de l'eau."
Les chercheurs ont découvert que diriger un faisceau d'ions vers l'électrode tout en exsolvant simultanément des nanoparticules métalliques sur la surface de l'électrode leur permettait de contrôler plusieurs propriétés des nanoparticules résultantes.
"Grâce aux interactions ions-matière, nous avons réussi à déterminer la taille, la composition, la densité et l'emplacement des nanoparticules exsolvées", écrit l'équipe dans Energy &Environmental Science. .
Par exemple, ils pourraient rendre les particules beaucoup plus petites – jusqu’à deux milliardièmes de mètres de diamètre – que celles produites à l’aide des seules méthodes d’exsolution thermique conventionnelles. De plus, ils ont pu modifier la composition des nanoparticules en les irradiant avec des éléments spécifiques. Ils l’ont démontré avec un faisceau d’ions nickel qui a implanté du nickel dans la nanoparticule métallique exsoluble. En conséquence, ils ont démontré un moyen direct et pratique de modifier la composition des nanoparticules exsolubles.
"Nous souhaitons disposer de nanoparticules ou d'alliages multi-éléments, car ils ont généralement une activité catalytique plus élevée", explique Yildiz. "Avec notre approche, la cible d'exsolution ne doit pas nécessairement dépendre de l'oxyde du substrat lui-même." L'irradiation ouvre la porte à bien d'autres compositions. "Nous pouvons choisir n'importe quel oxyde et n'importe quel ion avec lequel nous pouvons irradier et l'exsoudre", explique Yildiz.
L’équipe a également découvert que l’irradiation ionique entraîne des défauts dans l’électrode elle-même. Et ces défauts fournissent des sites de nucléation supplémentaires, ou des endroits à partir desquels les nanoparticules exsolubles peuvent se développer, augmentant ainsi la densité des nanoparticules résultantes.
L’irradiation pourrait également permettre un contrôle spatial extrême des nanoparticules. "Comme vous pouvez focaliser le faisceau d'ions, vous pouvez imaginer que vous pourriez "écrire" avec lui pour former des nanostructures spécifiques", explique Wang. "Nous en avons fait une démonstration préliminaire, mais nous pensons que cela a le potentiel de réaliser des micro et nanostructures bien contrôlées."
L'équipe a également montré que les nanoparticules créées par irradiation ionique avaient une activité catalytique supérieure à celles créées par exsolution thermique conventionnelle seule.
Plus d'informations : Jiayue Wang et al, Irradiation ionique pour contrôler la taille, la composition et la dispersion de l'exsolution de nanoparticules métalliques, Sciences de l'énergie et de l'environnement (2023). DOI :10.1039/D3EE02448B
Informations sur le journal : Sciences de l'énergie et de l'environnement
Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology
