Des nano-usines de production d'énergie renouvelable

Publié par Redbran le 22/03/2017 à 00:00
Source: CNRS-INC
1
Restez toujours informé: suivez-nous sur Google Actualités (icone ☆)

Des matériaux bidimensionnels étonnamment réactifs au contact de l'eau.

Grâce à leurs remarquables propriétés, les matériaux bidimensionnels, comme le graphène ou le nitrure de bore, font l'objet d'intenses recherches en nanosciences. Découverte surprenante: certains présentent une réactivité inattendue vis-à-vis des espèces ioniques de l'eau. Dans le cadre d'une collaboration entre physiciens et chimistes, des chercheurs de l'unité PASTEUR (ENS/CNRS/UPMC) en dévoilent la raison. Extrêmement prometteurs pour leur application dans la production d'énergie renouvelable, ces travaux sont publiés dans la revue J. Phys. Chem. Lett.

Isolés pour la première fois en 2004, les matériaux bidimensionnels tels que le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) ou son analogue structural, le nitrure de bore (Le nitrure de bore est un composé chimique du bore et de l'azote, de formule chimique brute BN...) (BN), sont constitués d'une seule couche d'atomes. Cette structure particulière et les propriétés associées (conductivité électrique et thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...), souplesse, robustesse, etc.) en ont rapidement fait des matériaux d'intérêt pour la miniaturisation et le développement de nanotechnologies.

Un objet d'étude dont se sont emparés des chercheurs de l'équipe MICROMEGAS du laboratoire de physique statistique de l'ENS qui ont obtenu un résultat des plus surprenants: en reliant deux réservoirs d'eau de salinité différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) par des nanotubes de nitrure de bore, ils observent que le flux d'eau dans les nanotubes génère un courant de forte amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), associé à l'apparition d'une charge à la surface des nanotubes. Ce phénomène dit d'osmose sous gradients salins est à l'origine de ce qu'on appelle la "blue energy".

Pour comprendre le phénomène en jeu, les physiciens ont fait appel à leurs collègues spécialistes en chimie de surface des matériaux du laboratoire "Pasteur". Le défi: identifier l'origine microscopique de cette charge. Pour cela, une expérience numérique a été menée à partir des deux formes ioniques de l'eau: l'ion hydroxyde chargé négativement (OH-) et l'ion hydronium chargé positivement (H+). Grâce à un modèle de simulation quantique, capable de reproduire le comportement des atomes et de leurs électrons, les chimistes ont reconstruit la surface du nitrure de bore et testé les liaisons qui se forment entre les atomes de cette surface et les ions OH- et H+. C'est ainsi qu'ils ont mis en évidence que la liaison la plus stable et donc la plus susceptible de se produire naturellement est celle qui relie l'atome de bore à l'hydroxyde (OH-). Preuve en est que la surface de nitrure de bore peut se charger négativement par adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des...) des ions hydroxydes. Un résultat, qui plus est, confirmé par la similitude de la charge globale obtenue lorsqu'on compare le nombre de molécules qu'il est possible de greffer expérimentalement et par modélisation. Forts de ces premières données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...), les chercheurs ont réalisé la même expérience numérique avec le graphène. Résultat inattendu: la surface de graphène ne se charge pas avec les ions OH-. Contrairement aux idées partagées par la communauté jusqu'alors, graphène et nitrure de bore se révèlent ne pas avoir un comportement chimique identique.

Encore fondamentaux, ces travaux permettent d'envisager des applications concrètes et extrêmement prometteuses ; l'intensité des charges mesurées et le courant ionique induit par ces procédés en feraient de véritables nano-usines de production d'énergie renouvelable...


Adsorption forte d'un anion hydroxyde (OH-) à la surface d'un feuillet de nitrure de bore hexagonal (h-BN) modélisée par une simulation quantique basée sur la théorie de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) (DFT). Ce phénomène d'adsorption explique la charge négative du feuillet au contact d'une eau saline. Les atomes de bore (B), nitrure (N), oxygène (O) et hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (H) sont respectivement représentés par des sphères jaune, bleue, rouge et blanche.


Référence publication:
Benoit Grosjean, Clarisse Pean, Alessandro Siria, Lydéric Bocquet, Rodolphe Vuilleumier and Marie-Laure Bocquet.
Chemisorption of Hydroxide on 2D Materials from DFT Calculations: Graphene versus Hexagonal Boron Nitride.
J. Phys. Chem. Lett. 3 novembre 2016
DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b02248

Contact chercheur:
Marie-Laure Bocquet, PASTEUR - Paris

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin, Stéphanie Younes
Page générée en 0.259 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
A propos - Informations légales | Partenaire: HD-Numérique
Version anglaise | Version allemande | Version espagnole | Version portugaise