Graphène et nitrure de bore: des faux-jumeaux pour produire l'énergie bleue !
Publié par Adrien le 21/05/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Les nanomatériaux bidimensionnels à base de carbone (type graphène) ou de nitrure de bore, réputés pour être chimiquement inertes, montrent en fait une conductivité ionique exceptionnelle en milieu aqueux. À partir de simulations de dynamique moléculaire ab initio, des chercheurs du laboratoire PASTEUR (CNRS/ENS/SU) ont élucidé le mécanisme de chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) qui leur confère ces propriétés exceptionnelles. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Communications.

Les nanomatériaux bidimensionnels à base de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (type graphène) ou de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) étaient réputés pour être chimiquement inertes. Mais l'émergence récente de la nanofluidique, où ils sont utilisés pour le dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un processus qui permet d'obtenir de l'eau douce, (potable ou, plus rarement en raison...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou la production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) bleue, a mis en évidence leur conductivité ionique exceptionnelle lors du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la...) des ions en milieu aqueux.

De récentes expériences de transport ionique ont également montré que la conductivité ionique mesurée pour le système eau/carbone (avec du graphène) est moins élevée et son évolution en fonction de la concentration en sel est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau des...) que celle mesurée pour le système eau/nitrure de bore.


Configurations stables de l'ion hydroxyde (bleu clair): Proche d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de nitrure de bore (chimisorption) et proche d'une surface de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) (physisorption). © Marie-Laure Bocquet

Des chercheurs du laboratoire PASTEUR (CNRS/ENS/SU) ont élucidé le mécanisme qui confère ces propriétés électriques exceptionnelles mais différentes au graphène et à son homologue. À partir de simulations de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la...) ab initio, ils montrent qu'au cours du transport, les surfaces de ces matériaux se chargent considérablement via une adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses. Ce phénomène...) d'ions hydroxyde OH-. Mais le mécanisme d'adsorption est radicalement différent: l'ion hydroxyde présente une faible physisorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou...) à la surface du graphène mais une forte chimisorption à la surface du nitrure de bore. L'hydroxyde physisorbé sur le graphène conserve ainsi une excellente mobilité latérale par transfert de protons avec les molécules de la première couche d'eau voisine, ce qui explique son évolution particulière. Cette étude permet de démontrer la réactivité chimique de ces matériaux jusqu'alors négligée !

Référence

Benoît Grosjean, Marie-Laure Bocquet, Rodolphe Vuilleumier.
Versatile Electrification of Two-dimensional Nanomaterials in Water
Nature Communications - Avril 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-09708-7
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