Les nanohybrides à base de polyoxométalate (POM) offrent potentiellement un changement radical en matière de durabilité dans une grande variété d’industries, mais la recherche sur ces substances en est à ses balbutiements. Un groupe de chercheurs a produit un examen complet des progrès du secteur et des défis restant à surmonter.

Une nouvelle classe de matériaux hybrides à l’échelle nanométrique a le potentiel d’améliorer la durabilité dans les systèmes énergétiques, les transports, les biocapteurs, la purification de l’eau et même l’impression 3D, mais ce domaine est encore très jeune. Un groupe de chercheurs a maintenant produit un aperçu détaillé de l'état d'avancement des nanohybrides à base de polyoxométalate (POM), ouvrant la voie à la recherche dans ce domaine de pointe de la science des matériaux.

Un article de synthèse détaillant leurs conclusions a été publié dans la revue Polyoxometalates. le 30 septembre.

Au cours des dernières décennies, une nouvelle classe de matériaux à l’échelle nanométrique, ou plus simplement de nanomatériaux, a émergé dans laquelle une seule unité présente des dimensions comprises entre 1 et 100 nanomètres. À cette échelle, les matériaux peuvent présenter des propriétés physiques, chimiques et biologiques uniques et souvent améliorées, qui diffèrent de celles des matériaux plus massifs ou « volumineux ». Par exemple, les matériaux à l'échelle nanométrique peuvent avoir un rapport surface/volume plus élevé, ce qui peut augmenter leur réactivité et leur capacité à catalyser (déclencher ou accélérer) des réactions chimiques.

Le nanomatériau le plus connu est peut-être le graphène, mais les nanomatériaux peuvent être fabriqués à partir d'un large éventail de substances, notamment des métaux, des semi-conducteurs, des céramiques et des polymères. Plus récemment, des chercheurs ont également développé des nanohybrides. Ce sont des substances qui combinent deux ou plusieurs types différents de nanomatériaux.

Les nanohybrides à base de polyoxométalate (POM), qui possèdent des propriétés catalytiques uniques dans les réactions photoélectrochimiques, sont particulièrement intéressants pour les chercheurs, en particulier ceux qui cherchent à rendre la production industrielle plus durable. . Cela fait des nanohybrides POM des candidats prometteurs pour un large éventail d'applications, notamment la conversion et le stockage d'énergie propre, ainsi que les capteurs et l'électronique qui ne dépendent pas de l'utilisation de sources d'énergie sales.

Les POM constituent une très vaste classe de composés inorganiques stables et bon marché constitués d'ions métalliques, généralement des métaux de transition tels que le tungstène ou le molybdène, liés entre eux par des atomes d'oxygène pour former un réseau tridimensionnel. Les POM sont généralement de grosses molécules complexes qui peuvent avoir une large gamme de formes et de tailles, et elles présentent une variété de propriétés intéressantes et utiles.

"Il y a eu une explosion de recherches sur les nanohybrides POM au cours des dernières années, et nous avons donc pensé qu'il était temps de faire une pause et de produire un aperçu de l'état actuel des choses afin d'identifier les lacunes et controverses potentielles en matière de recherche", a déclaré Guangjin Zhang, auteur correspondant de l'article de synthèse et chimiste au Laboratoire clé des processus verts et de l'ingénierie des Académies chinoises des sciences.

Les articles de revue scientifique constituent une partie essentielle du processus scientifique, visant à résumer et à évaluer de manière critique l’état actuel des connaissances sur un sujet particulier dans un domaine scientifique donné, à évaluer la qualité et la fiabilité de la littérature existante et à suggérer des orientations de recherche futures.

Les auteurs de la revue concluent dans leur revue que ce qui rend les POM si attrayants est la manière dont ils peuvent améliorer les propriétés catalytiques photoélectrochimiques du matériau nanohybride résultant. En effet, les POM peuvent agir à la fois comme accepteurs et donneurs d’électrons, ce qui leur permet de faciliter le transfert de charge électrique et d’améliorer l’efficacité des réactions concernées. Mieux encore, les POM peuvent également agir eux-mêmes comme catalyseurs, améliorant encore les propriétés catalytiques du matériau nanohybride.

L'examen explique également la différence entre les nanohybrides binaires et ternaires à base de POM, le premier étant constitué de deux matériaux fonctionnels à l'échelle nanométrique et le second de trois. Les nanohybrides binaires combinent du POM et un métal, du POM et un semi-conducteur, ou du POM et un nanocarbone, tandis que les nanohybrides ternaires combinent un POM, un métal et un nanocarbone.

Les auteurs notent que les nanohybrides binaires ont été largement étudiés et ont montré des résultats prometteurs dans diverses applications, notamment la photocatalyse, les piles à combustible et les biocapteurs. Les nanohybrides ternaires ont quant à eux le potentiel de combiner les propriétés uniques de trois matériaux différents, ce qui se traduit par une fonctionnalité et une polyvalence encore plus grandes.

L’un des domaines de recherche les plus prometteurs sur les nanohybrides des deux types à base de POM vient de leur utilisation en photocatalyse, c’est-à-dire en utilisant la lumière pour provoquer des réactions chimiques. Les nanohybrides à base de POM ont le potentiel d'améliorer l'efficacité des réactions photocatalytiques, ce qui pourrait avoir des applications importantes dans des domaines tels que la conversion de l'énergie solaire et la dépollution de l'environnement. Les nanohybrides pourraient également trouver des applications dans les piles à combustible, qui sont des dispositifs qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique, comme par exemple dans les transports alimentés à l'hydrogène. Les nanohybrides à base de POM ont le potentiel d'améliorer l'efficacité et la durabilité des piles à combustible.

Un autre domaine sans rapport avec l'énergie durable dans lequel les nanohybrides à base de POM sont très prometteurs concerne leur application dans les biocapteurs, des dispositifs qui détectent et mesurent des substances biologiques ou chimiques dans un échantillon via des modifications des signaux électriques résultant de réactions biochimiques. La surface élevée des nanohybrides et leur capacité à immobiliser des biomolécules, entre autres propriétés, les rendent particulièrement bien adaptés à une utilisation dans de tels dispositifs.

Les chercheurs ont déjà utilisé des nanohybrides à base de POM pour développer des biocapteurs capables de détecter des substances telles que la simazine et le peroxyde d’hydrogène avec une sensibilité élevée. Ces biocapteurs ont le potentiel d’être utilisés dans un large éventail d’applications, du diagnostic médical à la surveillance environnementale. D'autres applications émergentes incluent la purification de l'eau, les semi-conducteurs et l'impression 3D.

L’un des principaux défis auxquels sont confrontés les chercheurs dans ce domaine est que, même si les nanohybrides ternaires à base de POM offrent des performances encore plus améliorées, pour le moment, la recherche en est encore à ses balbutiements, avec une compréhension plus limitée des propriétés et du comportement des nanohybrides ternaires. Leurs applications potentielles sont encore à l’étude et des défis pourraient survenir liés au développement et à l’optimisation de nanohybrides ternaires pour des applications spécifiques. De plus, pour tous les types de nanohybrides POM, la solubilité des molécules POM dans les hybrides peut dégrader leurs performances en tant que catalyseurs. Leur dispersion non uniforme sur et dans les substances conductrices reste également un problème persistant, et lorsqu'elles sont combinées avec des métaux ou des oxydes métalliques, le contrôle de la taille et de la forme des particules est difficile.

Les auteurs soutiennent qu'une plus grande concentration sur une compréhension fondamentale de la relation entre la structure des hybrides et leur activité chimique devrait aider à surmonter ces obstacles à des applications plus larges, et appellent à une coopération plus large entre différentes disciplines pour ce faire.

Plus d'informations : Shuangshuang Zhang et al, Conception et synthèse de nouveaux nanohybrides binaires et ternaires à base de polyoxométalates pour la conversion et le stockage d'énergie, Polyoxométalates (2023). DOI :10.26599/POM.2023.9140037

Fourni par Tsinghua University Press