Des nano-usines de production d'énergie renouvelable

Publié par Redbran le 22/03/2017 à 00:00
Source: CNRS-INC
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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). 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 (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...), ces travaux sont publiés dans la revue J. Phys. Chem. Lett.

Isolés pour la première fois en 2004, les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 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 bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'étude dont se sont emparés des chercheurs de l'équipe MICROMEGAS du laboratoire de physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'eau dans les nanotubes génère un courant de forte amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), associé à l'apparition d'une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) des nanotubes. Ce phénomène dit d'osmose (L’osmose est la force qui tend à équilibrer les concentrations moléculaires.) 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 (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de surface des matériaux du laboratoire "Pasteur". Le défi: identifier l'origine microscopique de cette charge. Pour cela, une expérience numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) a été menée à partir des deux formes ioniques de l'eau: l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) par ces procédés en feraient de véritables nano-usines de production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) (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 (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...), bleue, rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) 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 (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...)

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...), Stéphanie Younes
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