Les chercheurs du MIT conçoivent des nanoparticules avec une irradiation par ions pour créer des catalyseurs et des microélectroniques efficaces.
Les nanoparticules jouent un rôle crucial dans les réactions, y compris les piles à combustible et l’électrolyse, en agissant en tant que catalyseurs ou électrodes. Par exemple, les nanoparticules de platine servent de catalyseurs efficaces dans l’électrolyse de l’eau. La taille et la composition à contrôler peuvent améliorer leur activité catalytique, leur sélectivité et leur durabilité.
Image agrandie de nanoparticules. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Laboratoire national Lawrence Berkeley
Les propriétés uniques des nanoparticules proviennent de leur petite taille, ce qui entraîne un rapport surface/volume élevé. Cette surface accrue expose plus de sites actifs pour les réactions chimiques, améliorant ainsi l’efficacité et la réactivité. Cependant, la modification des nanoparticules est difficile en raison de leur dégradation au fil du temps et de leur sensibilité à l’environnement.
Les chercheurs du MIT ont démontré un moyen de modifier les propriétés des nanoparticules en exploitant l’irradiation par ions, dans laquelle des faisceaux de particules chargées sont exposés au matériau. Ils signalent que leurs nanoparticules développées ont des performances supérieures à celles des particules créées de manière conventionnelle.
Applications des nanoparticules et défis liés à la maîtrise de leurs propriétés
Les processus électrochimiques tels que l’électrolyse et les piles à combustible impliquent le passage d’un courant électrique à travers un électrolyte pour décomposer un composé en ses éléments constitutifs. Dans les piles à combustible, les molécules d’eau se séparent en ions hydrogène et oxygène.
Les nanoparticules offrent plusieurs avantages en tant qu’électrocatalyseurs dans l’électrolyse. Un avantage majeur est que les nanoparticules facilitent le transfert d’électrons entre l’électrolyte et le catalyseur, accélérant ainsi la réaction. De plus, les nanoparticules ont une grande surface, exposant ainsi plus de sites actifs pour la réaction. Cependant, les catalyseurs métalliques utilisés habituellement dans l’électrolyse s’agglomèrent à haute température, perdant ainsi leur surface et leur réactivité. Par conséquent, les scientifiques cherchent à créer des nanoparticules stables et durables, insensibles aux hautes températures.
La modification des nanoparticules est difficile car leurs propriétés sont souvent interconnectées, ce qui rend difficile leur manipulation sans affecter les autres. Un autre problème est de maintenir la stabilité des particules pendant la synthèse, le stockage et l’application. Une solution précédente impliquant l’exsolution par Jiayue Wang, ancien doctorant au MIT, actuellement post-doctorant à l’Université Stanford, permet de produire des nanoparticules actives stables. Cependant, les particules sont difficiles à contrôler.
L’irradiation par ions pour l’ingénierie des nanoparticules
Les chercheurs du MIT ont maintenant trouvé un moyen de contrôler les nanoparticules actives en utilisant la technique d’irradiation par ions. Ils ont découvert que l’orientation des ions sur l’électrode tout en exsolvant des nanoparticules métalliques à la surface de l’électrode leur permet de modifier de nombreuses propriétés des particules.
Comparaison entre les nanoparticules avec exsolvation et la combinaison de l’irradiation par ions et de l’exsolvation. Image utilisée avec l’aimable autorisation du MIT
Dans l’irradiation par ions, les ions sont accélérés à très grande vitesse pour pénétrer dans le matériau et provoquer des changements dans sa structure et ses propriétés. Le faisceau d’ions peut éjecter des atomes de leur réseau, les forçant à se réarranger et à modifier leur structure cristalline. De la même manière, cette méthode peut faire rétrécir ou grossir les nanoparticules. De plus, elle peut également les rendre plus stables en les rendant moins susceptibles d’une agrégation ou d’une dégradation.
Les chercheurs ont démontré cette méthode en bombardant des ions nickel sur des nanoparticules métalliques exsolvées. Les chercheurs affirment que leur méthodologie est indépendante du substrat-oxyde, ce qui permet la liberté de sélectionner à la fois l’oxyde et les ions pour l’irradiation et l’exsolution. Wang, l’auteur principal, estime que leur méthode a le potentiel de créer des micro et nano-structures bien contrôlées pour une variété d’applications.