Les chercheurs ont mis au point une technique de fabrication pour l’un des matériaux 2D les plus passionnants de ces dernières années, qui pourrait enfin faire passer le composé du laboratoire à une gamme d’applications industrielles. Crédit : DICP
Les nanofeuilles fabriquées à partir de tellurures de métaux de transition ont démontré un potentiel important pour la recherche fondamentale et les applications dans divers domaines, mais jusqu'à récemment, leur production à grande échelle était inaccessible, les reléguant au statut de simple nouveauté de laboratoire plutôt que de matériau industriel pratique. Mais une équipe de chercheurs a récemment développé une nouvelle technique de fabrication – l’utilisation de solutions chimiques pour décoller de fines couches de leurs composés parents, créant ainsi des feuilles atomiquement minces – qui semble prête à enfin tenir la promesse de la substance ultra-mince.
Les chercheurs décrivent leur technique de fabrication dans une étude publiée dans Nature le 3 avril.
Dans le monde des matériaux ultra-fins ou « bidimensionnels », ceux contenant une seule couche d'atomes, les nanofeuilles de tellurure de métaux de transition (TMT) ont suscité ces dernières années un grand enthousiasme parmi les chimistes et les scientifiques des matériaux pour leurs propriétés particulièrement inhabituelles. Ces composés, constitués de tellure et de l'un des éléments du « milieu » du tableau périodique (groupes 3 à 12), bénéficient d'une gamme d'états allant du semi-métallique au semi-conducteur, isolant et supraconducteur, et des états encore plus exotiques, comme ainsi qu'une activité catalytique magnétique et unique.
Ces propriétés offrent une gamme d'applications potentielles dans les domaines de l'électronique, du stockage d'énergie, de la catalyse et de la détection. En particulier, les nanofeuilles de TMT sont explorées en tant que nouveaux matériaux d'électrode dans les batteries et les supercondensateurs, essentiels à la transition propre, en raison de leur conductivité élevée et de leur grande surface.
Applications potentielles et défis
Les nanofeuilles de TMT peuvent également être utilisées comme électrocatalyseurs pour les batteries lithium-oxygène, améliorant ainsi leur efficacité et leurs performances. D'autres applications potentielles dans les technologies émergentes comprennent le photovoltaïque et la thermoélectrique, la production d'hydrogène, ainsi que la filtration et la séparation. Il s’est même avéré qu’ils présentent des phénomènes quantiques intéressants, tels que des oscillations quantiques et une magnétorésistance géante.
« La liste des industries qui bénéficieraient d'améliorations significatives de l'efficacité grâce à la production de masse de nanofeuilles de TMT est extrêmement longue », a déclaré le chef d'équipe WU Zhong-Shuai, chimiste à l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP), de l'Académie chinoise des sciences. « C'est pourquoi ce matériau 2D est potentiellement si excitant. »
Malheureusement, malgré diverses tentatives d'exfoliation de nanofeuilles de TMT de haute qualité, préserver une cristallinité élevée tout en obtenant une grande taille de nanofeuilles et une fonctionnalité ultrafine reste un défi important. Les méthodes conçues jusqu'à présent ne sont pas évolutives en raison des longs temps de traitement. Ils nécessitent aussi souvent des produits chimiques toxiques. Ainsi, les propriétés des nanofeuilles de TMT sont restées un phénomène de laboratoire intéressant qui ne peut pas tout à fait franchir le pas vers une production de masse et une application industrielle.
Percée dans la production de masse
L’équipe a finalement résolu ce problème via un processus simplifié de lithiation, d’hydrolyse et enfin d’exfoliation des nanofeuilles.
Tout d’abord, une grande quantité de cristaux de tellurure métallique a été préparée par transport de vapeur chimique, une méthode couramment utilisée en chimie pour transporter des composés solides d’un endroit à un autre à l’aide d’un gaz vecteur. Lorsque le récipient de réaction est chauffé, l’agent de transport se vaporise et entraîne le composé solide sous forme de vapeur. La vapeur traverse le récipient de réaction et peut rencontrer une surface plus froide, où le composé peut se déposer et former des cristaux. Cela permet la croissance contrôlée de cristaux ou de films très minces du composé souhaité. Dans ce cas, les cristaux de tellurure préparés sont ensuite mélangés avec du borohydrure de lithium. Ce processus implique le placement d'ions lithium entre les couches de cristaux de tellurure métallique, conduisant à la formation d'un composé intermédiaire « lithié ».
Le composé intermédiaire lithié est ensuite rapidement arrosé d’eau, ce qui entraîne une « exfoliation » ou un décapage des cristaux de tellurure métallique lithié en nanofeuillets en quelques secondes.
Enfin, les nanofeuilles de tellurure métallique exfoliées sont collectées et caractérisées en fonction de leur forme et de leur taille, ce qui leur permet d'être ensuite transformées sous différentes formes telles que des films, des encres et des composites, en fonction de l'application souhaitée.
L’ensemble du processus ne prend que dix minutes pour la lithiation et quelques secondes pour l’hydrolyse. La technique est capable de produire des nanofeuilles de TMT de haute qualité de différentes épaisseurs souhaitées avec des rendements très élevés.
Lors du test des nanofeuilles, les chercheurs ont découvert que leur stockage de charge, leur capacité élevée et leur stabilité les rendaient prometteuses pour les applications dans les batteries au lithium et les micro-supercondensateurs.
Ils estiment que leur technique est essentiellement prête à être commercialisée, mais ils souhaitent également mener des études plus approfondies pour caractériser les propriétés et le comportement de leurs nanofeuillets, ainsi qu'affiner et optimiser davantage les étapes de lithiation et d'exfoliation.
