Révolution dans le domaine de l’énergie durable : l’irradiation ionique de nanoparticules vue par le MIT

Patrick Lesggie

Représentation artistique de nanoparticules avec différentes compositions créées en combinant deux techniques : exsposition de métal et irradiation ionique. Les différentes couleurs représentent différents éléments, tels que le nickel, qui peuvent être implantés dans une particule de métal exsécuté pour personnaliser les compositions et la réactivité de la particule. Crédit : Jiayue Wang

Le travail démontre le contrôle des propriétés clés conduisant à de meilleures performances.

Les chercheurs du MIT et leurs collègues ont démontré un moyen de contrôler précisément la taille, la composition et d’autres propriétés de nanoparticules clés pour les réactions impliquées dans une variété de technologies propres énergétiques et environnementales. Ils ont fait cela en exploitant 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 ont une performance supérieure à leurs homologues fabriqués de manière conventionnelle.

« Les matériaux sur lesquels nous avons travaillé pourraient faire progresser plusieurs technologies, des piles à combustible pour générer de l’électricité sans CO2 à la production de matières premières d’hydrogène propre pour l’industrie chimique [via des cellules d’électrolyse] », déclare Bilge Yildiz, leader du travail et professeur dans les départements de Sciences et génie nucléaire et Sciences et génie des matériaux du MIT.

Catalyseur critique

Les piles à combustible et les cellules d’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 fonctionnent à l’envers.

Les électrodes sont revêtues de catalyseurs, ou de matériaux qui accélèrent les réactions impliquées. Mais un catalyseur critique composé de matériaux à base d’oxyde métallique a été limité par des défis comprenant une faible durabilité. « Les particules de catalyseurs métalliques grossissent à haute température, et vous perdez de la surface et de l’activité en conséquence », dit Yildiz, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux et est l’auteur d’un article en libre accès sur le travail publié dans la revue Energy & Environmental Science.

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

Défis de contrôle des nanoparticules

Cependant, contrôler les propriétés précises des nanoparticules résultantes a été difficile. « Nous savons que l’exposition peut nous fournir des nanoparticules stables et actives, mais la partie 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 », déclare Jiayue Wang, doctorante et premier auteur de l’article. Wang, qui a réalisé le travail tout en obtenant son doctorat au Département des sciences et du génie nucléaires du MIT, est désormais post-doctorante à l’Université de Stanford.

Sossina Haile ’86, PhD ’92, professeure Walter P. Murphy en science et génie des matériaux à l’Université Northwestern, qui n’a pas participé au travail actuel, déclare :

« Les nanoparticules métalliques servent de catalyseurs dans toute une série de réactions, y compris la réaction importante de la 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 façon dont se forment les nanoparticules ». Haile ajoute : « la communauté a montré que l’exsposition entraîne des nanoparticules structurellement stables, mais le processus est difficile à contrôler, donc on n’obtient pas nécessairement le nombre et la taille optimale de particules. En utilisant l’irradiation ionique, ce groupe a pu contrôler précisément les caractéristiques des nanoparticules, aboutissant à une excellente activité catalytique pour la division de l’eau. »

Ce qu’ils ont fait

Les chercheurs ont découvert qu’en pointant un faisceau d’ions sur l’électrode tout en exsolvant simultanément des nanoparticules métalliques à la surface de l’électrode, ils pouvaient contrôler plusieurs propriétés des nanoparticules résultantes.

« Par le biais d’interactions ion-matière, nous avons réussi à manipuler la taille, la composition, la densité et l’emplacement des nanoparticules exsolventes », écrivent l’équipe dans Energy & Environmental Science.

Par exemple, ils ont pu rendre les particules beaucoup plus petites — jusqu’à 2 milliardièmes de mètre de diamètre — que celles fabriquées en utilisant uniquement des méthodes d’exsposition thermique classique. De plus, ils ont pu changer la composition des nanoparticules en les irradiant avec des éléments spécifiques. Ils ont démontré cela avec un faisceau d’ions de nickel qui a implanté du nickel dans la nanoparticule métallique exsolée. Par conséquent, ils ont montré une manière directe et pratique d’ingénier la composition des nanoparticules exsolées.

« Nous voulons avoir des nanoparticules multi-éléments, ou des alliages, car ils ont généralement une activité catalytique plus élevée », déclare Yildiz. « Avec notre approche, la cible d’exposition n’a pas à dépendre de l’oxyde de substrat lui-même. » L’irradiation ouvre la porte à beaucoup plus de compositions. « Nous pouvons choisir pratiquement n’importe quel oxyde et n’importe quel ion que nous pouvons irradier et exsouder cela », explique Yildiz.

L’équipe a également constaté que l’irradiation ionique forme des défauts dans l’électrode elle-même. Et ces défauts fournissent des sites de nucléation supplémentaires, ou des endroits pour la croissance des nanoparticules exsolées, augmentant la densité des nanoparticules résultantes.

L’irradiation pourrait également permettre un contrôle spatial extrême sur les nanoparticules. « Parce que vous pouvez focaliser le faisceau ionique, vous pouvez imaginer que vous pourriez « écrire » avec lui pour former des nanostructures spécifiques », déclare Wang. « Nous avons fait une démonstration préliminaire [de cela], mais nous croyons qu’il a le potentiel de réaliser des micro- et nano-structures bien contrôlées. »

L’équipe a également montré que les nanoparticules qu’ils ont créées avec l’irradiation ionique avaient une activité catalytique supérieure à celles créées uniquement par exsposition thermique conventionnelle.

Référence: “Ion irradiation to control size, composition and dispersion of metal nanoparticle exsolution” by Jiayue Wang, Kevin B. Woller, Abinash Kumar, Zhan Zhang, Hua Zhou, Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, James M. LeBeaub and Bilge Yildiz, 25 September 2023, Energy & Environmental Science.
DOI: 10.1039/D3EE02448B

D’autres auteurs du MIT de l’article sont Kevin B. Woller, scientifique principal au Plasma Science and Fusion Center (PSFC), où se trouve l’équipement utilisé pour l’irradiation ionique ; Abinash Kumar PhD ’22, qui a obtenu son doctorat du Département de science et génie des matériaux (DMSE) et se trouve désormais au Laboratoire national d’Oak Ridge ; et James M. LeBeau, professeur agrégé au DMSE. Les autres auteurs sont Zhan Zhang et Hua Zhou du Laboratoire national d’Argonne, et Iradwikanari Waluyo et Adrian Hunt du Laboratoire national de Brookhaven.

Ce travail a été financé par la société OxEon Corp. et le PSFC du MIT. La recherche a également utilisé des ressources soutenues par le Département de l’Énergie des États-Unis du bureau de la Science, le Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT et MIT.nano. Le travail a été réalisé, en partie, à l’Université Harvard par le biais d’un réseau financé par la National Science Foundation.