Réduire une molécule en dopant le graphène

Publié par Adrien le 30/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Avec sa réputation de matériau miracle, le graphène n'en finit pas de trouver de nouvelles applications. Des physiciens ont montré qu'il permet la réduction chimique de molécules lorsqu'il est dopé avec de l'azote. Le phénomène a été observé pour la première fois, grâce à un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le...), sur des phthalocyanines de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.).

Matériau bidimensionnel par excellence, le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) est un simple feuillet d'atomes 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.). Cet agencement lui confère une impressionnante liste de propriétés, notamment chimiques et électriques, que les chercheurs tentent d'allonger en modifiant sa structure et sa composition. Ainsi, lui ajouter d'autres atomes que ceux de carbone, comme de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote...), pourrait ouvrir des applications pour l'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.), la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que les...), la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) ou l'électronique moléculaire. Grâce à sa structure bidimensionnelle, le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) dispose notamment d'une très grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) qui lui permet d'interagir facilement avec toutes formes de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...).


Schéma (gauche) et image STM (droite) de 4 nm de côté de deux molécules de CoPc sur du graphène dopé par de l'azote. La molécule située au-dessus d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'atomes d'azote est chargée alors que la molécule sur un seul azote reste neutre.
© J. Lagoute, MPQ (CNRS/Univ. de Paris)

En déposant des phthalocyanines de cobalt (CoPc) sur du graphène dopé à l'azote, des physiciens du Laboratoire matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et phénomènes quantiques (MPQ, CNRS/Université de Paris), du Service de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) de l'état condensé (SPEC, CNRS/CEA), du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) physique de la matière et du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) (Université de Namur (Namur (en wallon Nameur, en néerlandais Namen) est une ville et commune francophone de Belgique, capitale de la Région wallonne, chef-lieu de la province de Namur.), Belgique) et du Centre Jawaharlal Nehru pour la recherche avancée (JNCASR, Inde) ont obtenu la réduction chimique d'une partie des CoPc. Cette réussite a été confirmée par une visualisation directe, à l'échelle atomique, avec un microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique si l'énergie de la particule...) (STM). Ces travaux permettraient par exemple de faciliter la réduction du CO2, afin de le reconvertir pour produire de l'énergie.

En effet, si le CoPc était déjà connu pour sa capacité à réduire le CO2 lorsqu'il est lui-même réduit, les chercheurs voulaient à l'origine surtout tester si le graphène dopé pouvait modifier ses propriétés magnétiques, dues à la présence d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) de cobalt. L'effet s'est révélé si important qu'il peut aboutir au transfert d'une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) électronique complète, et donc à une réduction chimique. Les observations au STM montrent que, lorsque la molécule de CoPc se trouve au-dessus d'un seul atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) d'azote, le transfert de charge est généralement fractionnaire et la molécule est dans un état neutre CoPc0. Mais lorsqu'elle se trouve sur une paire d'atomes d'azote, elle est réduite et passe à un état chargé CoPc-. Ces travaux expliquent ainsi comment la position d'une molécule par rapport à des impuretés qui dopent le graphène permet de moduler le transfert de charge entre la molécule et le graphène. Les chercheurs espèrent à présent pouvoir tester la réduction d'autres molécules que le CoPc.

Référence:
Direct observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) of the reduction of a molecule on nitrogen pairs in doped graphene. M. Bouatou, S. Mondal, C. Chacon, F. Joucken, Y. Girard, V. Repain, A. Bellec, S. Rousset, S. Narasimhan, R. Sporken, Y.J. Dappe, and J. Lagoute, Nano Letters, le 24 août 2020.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03030
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