Les chercheurs ont démontré qu'en utilisant du plasma d'argon, les atomes métalliques peuvent être dispersés et guidés vers les positions souhaitées. Cette nouvelle stratégie garantit qu'aucun atome ne se gaspille et maximise l'utilisation de métaux rares et précieux.
Dans une étude publiée dans Science avancéeles chercheurs de l'Université de Nottingham, de l'Université de Birmingham, de la source de lumière de diamants et du superstem EPSRC montrent comment l'utilisation d'ions argon rapides pour concevoir des défauts sur les surfaces du carbone permet aux atomes métalliques de se lier et de s'auto-assembler dans des îles métalliques ultra-minces et uniques.
L'industrie utilise des métaux pour la catalyse, mais certains de ces métaux sont précieux et rares. L'utilisation de métaux avec une efficacité maximale est vitale pour assurer un avenir durable. Les technologies vertes, telles que la production d'hydrogène, progressent très rapidement, mais elles exercent une pression sur l'approvisionnement limité d'éléments critiques et créent des crises environnementales sur la planète.
« Chaque atome compte. Les métaux précieux et rares sont vitaux pour l'énergie propre et la catalyse industrielle, mais leur approvisionnement est limité. Nous avons développé une stratégie évolutive pour nous assurer qu'aucun atome ne se gaspille », explique le Dr Emerson Kohlrausch, leader expérimentaliste de l'étude de la School of Chemistry de l'Université de Nottingham.
Contrairement aux approches conventionnelles qui nécessitent des conditions spécifiques à des éléments ou des dopants chimiques, la méthode de l'équipe exploite des «postes vacants» atomiques, de minuscules trous créés par le bombardement d'ions argon sur une surface de carbone, comme sites de liaison universels. Ces sites de défaut agissent comme des pièges atomiques qui ancrent fortement les atomes de métaux, les empêchant de former des nanoparticules 3D plus grandes et moins efficaces.
Remarquablement, la méthode s'est avérée efficace sur 21 éléments différents, y compris les métaux notoirement difficiles à contrôler comme l'argent et l'or. « Il s'agit d'une solution unique », explique le professeur Andrei Khlobystov. « Nous pouvons créer des couches atomiques mono-, bi- ou même tri-métalliques, avec chaque atome précisément où nous le voulons. Ce niveau de contrôle est sans précédent. »
Le Dr Sadegh Ghaderzadeh, qui a dirigé la modélisation théorique, met en évidence l'élégance de l'approche: « Ce qui rend cette méthode si remarquable est sa simplicité. Plutôt que de s'appuyer sur des réactions chimiques complexes, elle utilise le mouvement physique des atomes d'un endroit à un autre, réduisant considérablement le nombre de variables impliquées.
L'innovation ne réside pas seulement dans le piégeage des atomes, mais ce faisant dans des conditions vierges, sans solvant et sans air qui empêchent la passivation du site.
« Ce qui rend cela si puissant, mais si difficile, c'est que nous créons des sites hautement réactifs à la surface et libérons des atomes métalliques dans des conditions étroitement contrôlées. À ce stade, les atomes et la surface sont extrêmement instables et réactifs.
« Même une légère perte de contrôle peut entraîner une configuration métallique incorrecte, mais avec les bonnes conditions, les atomes se verrouillent en place en permanence. C'est comme attraper la foudre dans une bouteille, juste à l'échelle atomique », explique le Dr Kohlrausch.
Les applications de ces grappes métalliques monocouches (SLMC) vont de la production d'hydrogène plus efficace et de la synthèse d'ammoniac à la conversion du CO₂ et au stockage d'énergie. Les chercheurs ont obtenu des densités record sur la surface allant jusqu'à 4,3 atomes par nm² et ont prouvé la stabilité de l'air pendant plus de 16 mois, ainsi que dans les environnements catalytiques.
« Nous faisons un catalyseur métallique 2D sur n'importe quelle surface une réalité », explique le Dr Jesum Alves Fernandes, le chef de projet. « Notre vision est de concevoir des matériaux où chaque atome est actif et fonctionne, et rien n'est gaspillé. C'est ainsi que nous rendons la catalyse vraiment verte. »
