Ingénieur d’équipe nanoparticules utilisant l’irradiation ionique pour faire progresser l’énergie propre et la conversion des carburants

Les chercheurs et collègues du MIT ont démontré un moyen de contrôler avec précision la taille, la composition et d’autres propriétés des nanoparticules essentielles aux réactions impliquées dans diverses technologies énergétiques et environnementales propres. Pour ce faire, ils ont exploité l’irradiation ionique, une technique dans laquelle des faisceaux de particules chargées bombardent un matériau.

Ils ont ensuite montré que les nanoparticules créées de cette manière avaient des performances supérieures à celles de leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle.

« Les matériaux sur lesquels nous avons travaillé pourraient faire progresser plusieurs technologies, depuis les piles à combustible jusqu’à la génération de CO2.₂-de l’électricité gratuite pour la production de matières premières d’hydrogène propre pour l’industrie chimique [through electrolysis cells]», déclare Bilge Yildiz, responsable des travaux et professeur aux départements de science et d’ingénierie nucléaires et de science et d’ingénierie des matériaux du MIT.

Représentation artistique de nanoparticules de différentes compositions créées en combinant deux techniques : l’exsolution métallique et l’irradiation ionique. Les différentes couleurs représentent différents éléments, tels que le nickel, qui peuvent être implantés dans une particule métallique exsoluble pour adapter la composition et la réactivité de la particule. Image : Jiayue Wang.

Catalyseur critique

Les piles à combustible et les piles à électrolyse impliquent toutes deux des réactions électrochimiques à travers trois parties principales : deux électrodes (une cathode et une anode) séparées par un électrolyte. La différence entre les deux cellules est que les réactions impliquées se déroulent en sens inverse.

Les électrodes sont recouvertes de catalyseurs ou de matériaux qui accélèrent les réactions impliquées. Mais un catalyseur critique constitué de matériaux à base d’oxyde métallique a été limité par des défis, notamment une faible durabilité.

“Les particules métalliques du catalyseur grossissent à haute température, ce qui entraîne une perte de surface et d’activité”, explique Yildiz, également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux et auteur de un article en libre accès sur les travaux publié dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement.

Entrez l’exsolution métallique, qui consiste à précipiter des nanoparticules métalliques hors d’un oxyde hôte sur la surface de l’électrode. Les particules s’incrustent dans l’électrode, “et cet ancrage les rend plus stables”, explique Yildiz. En conséquence, l’exsolution a « conduit à des progrès remarquables dans la conversion d’énergie propre et dans les dispositifs informatiques économes en énergie », écrivent les chercheurs dans leur article.

Cependant, contrôler les propriétés précises des nanoparticules résultantes s’est avéré difficile. « Nous savons que l’exsolution peut nous donner des nanoparticules stables et actives, mais le plus difficile est vraiment de la contrôler. La nouveauté de ce travail est que nous avons trouvé un outil – l’irradiation ionique – qui peut nous donner ce contrôle », explique Jiayue Wang PhD ’22, premier auteur de l’article. Wang, qui a mené les travaux tout en obtenant son doctorat au Département de science et d’ingénierie nucléaires du MIT, est maintenant postdoctorant à l’Université de Stanford.

Sossina Haile ’86, PhD ’92, professeur Walter P Murphy de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Northwestern, qui n’a pas participé aux travaux en cours, déclare : « Les nanoparticules métalliques servent de catalyseurs dans toute une série de réactions, y compris l’importante réaction de division de l’eau pour générer de l’hydrogène pour le stockage d’énergie. Dans ce travail, Yildiz et ses collègues ont créé une méthode ingénieuse pour contrôler la manière dont se forment les nanoparticules.

« La communauté a montré que l’exsolution donne des nanoparticules structurellement stables, mais le processus n’est pas facile à contrôler, de sorte qu’on n’obtient pas nécessairement le nombre et la taille optimaux des particules. Grâce à l’irradiation ionique, ce groupe a pu contrôler avec précision les caractéristiques des nanoparticules, ce qui a permis d’obtenir une excellente activité catalytique pour la division de l’eau.

Qu’ont-ils fait

Les chercheurs ont découvert que diriger un faisceau d’ions vers l’électrode tout en exsolvant simultanément des nanoparticules métalliques sur la surface de l’électrode leur permettait de contrôler plusieurs propriétés des nanoparticules résultantes.

“Grâce aux interactions ions-matière, nous avons réussi à modifier la taille, la composition, la densité et l’emplacement des nanoparticules exsolvées”, écrit l’équipe dans Sciences de l’énergie et de l’environnement.

Par exemple, ils pourraient rendre les particules beaucoup plus petites – jusqu’à deux milliardièmes de mètres de diamètre – que celles produites à l’aide des seules méthodes d’exsolution thermique conventionnelles. De plus, ils ont pu modifier la composition des nanoparticules en les irradiant avec des éléments spécifiques.

Ils l’ont démontré avec un faisceau d’ions nickel qui a implanté du nickel dans la nanoparticule métallique exsoluble. En conséquence, ils ont démontré un moyen direct et pratique de modifier la composition des nanoparticules exsolubles.

Activité catalytique plus élevée

“Nous souhaitons disposer de nanoparticules ou d’alliages multi-éléments, car ils ont généralement une activité catalytique plus élevée”, explique Yildiz. « Avec notre approche, la cible d’exsolution ne doit pas nécessairement dépendre de l’oxyde du substrat lui-même.

“L’irradiation ouvre la porte à de nombreuses autres compositions. “Nous pouvons choisir n’importe quel oxyde et n’importe quel ion avec lequel nous pouvons irradier et les dissoudre”, explique Yildiz.

L’équipe a également découvert que l’irradiation ionique entraîne des défauts dans l’électrode elle-même. Et ces défauts fournissent des sites de nucléation supplémentaires, ou des endroits à partir desquels les nanoparticules exsolubles peuvent se développer, augmentant ainsi la densité des nanoparticules résultantes.

L’irradiation pourrait également permettre un contrôle spatial extrême des nanoparticules. “Comme vous pouvez focaliser le faisceau d’ions, vous pouvez imaginer que vous pourriez “écrire” avec lui pour former des nanostructures spécifiques”, explique Wang. « Nous avons fait une démonstration préliminaire [of that]mais nous pensons qu’il a le potentiel de réaliser des micro et nanostructures bien contrôlées.

L’équipe a également montré que les nanoparticules créées par irradiation ionique avaient une activité catalytique supérieure à celles créées par exsolution thermique conventionnelle seule.