Plus c'est complexe, plus c'est ordonné : le paradoxe des nanocristaux révélé

Une équipe de recherche de l'Université de Stanford et de l'Institut coréen des sciences et technologies (KAIST) a réalisé une avancée majeure dans le domaine des nanomatériaux. Les chercheurs ont réussi à construire un nanocristal contenant cinq métaux différents et ont découvert un phénomène contre-intuitif : plus le nombre de types de métaux est élevé, plus les particules sont uniformes. Cette découverte bouleverse les connaissances traditionnelles, ouvre de nouvelles voies pour la préparation de nanomatériaux et devrait avoir un impact profond sur le développement de l'énergie hydrogène. Les travaux correspondants ont été publiés dans la revue Science.

État actuel et défis des nanocristaux

Les nanocristaux sont formés de quelques à plusieurs milliers d'atomes disposés avec précision et ordre. Ils sont largement utilisés dans des produits tels que les transistors et les écrans d'ordinateurs et de smartphones. Leur taille minuscule leur confère un rapport surface/volume énorme, ce qui en fait d'excellents catalyseurs. Cependant, les recherches antérieures se sont principalement concentrées sur des nanocristaux d'un ou deux métaux. Lorsqu'on tente de mélanger trois métaux ou plus, en raison des différentes vitesses et températures de réduction de chaque métal, il est très facile d'obtenir des problèmes de désordre structurel et de répartition inégale. Par conséquent, la synthèse contrôlée de nanocristaux multimétalliques a longtemps été un défi dans le domaine de la science des matériaux.

L'exploration du chaos vers l'ordre

L'équipe de recherche a choisi le ruthénium, un métal précieux et hautement réactif, comme point de départ, et a ajouté quatre matériaux moins chers et plus abondants : le fer, le cobalt, le nickel et le cuivre. On pensait généralement que plus il y a de métaux, plus le chaos est grand. Au début, c'était effectivement le cas : en combinant deux métaux avec le ruthénium, la structure était désordonnée ; l'ajout d'un troisième métal n'aidait pas. Mais lorsque le nombre de métaux est passé à cinq, le chaos a disparu. Parmi 31 combinaisons possibles de produits, un seul nanocristal uniforme de cinq métaux est apparu, dans lequel toutes les particules élémentaires conservaient des proportions stables.

Le rôle clé du cuivre

La recherche a révélé que le cuivre est la clé pour résoudre le mystère de la transition "3du chaos vers l'ordre". Parmi les quatre métaux peu coûteux, le cuivre est le plus facile à réduire à l'état métallique. Il se dépose en premier sur les particules germes de ruthénium, mais sans se mélanger à lui ; il se place plutôt à côté, formant un hétérodimère qui agit comme un échafaudage stable. Ensuite, cette structure cuivre-ruthénium émet une "invitation" chimique : le cobalt s'approche du ruthénium, le nickel s'approche du cuivre, le fer, le plus difficile à réduire, finit par s'envelopper à l'extérieur. Le résultat est une particule en forme d'oignon : un noyau de ruthénium avec le cuivre à côté, le cobalt et le nickel formant une couche intermédiaire, et une couche externe riche en fer. L'ensemble du processus se produit spontanément, sans intervention humaine.

Avantages en termes de performances : activité catalytique et stabilité thermique

Outre l'avancée synthétique, l'équipe a démontré que, dans la réaction de décomposition de l'ammoniac, de plus en plus importante, ce nanocristal à cinq métaux surpasse de loin les métaux individuels. Les tests ont montré que la vitesse de réaction du catalyseur à nanocristaux de cinq métaux est quatre fois supérieure à celle d'un catalyseur standard au ruthénium. Même après 12 heures de fonctionnement continu à 900 °C, le catalyseur maintient ses performances sans diminution, tandis que le catalyseur à un seul métal (ruthénium) montre déjà un vieillissement significatif à ce moment-là.

Soutien au stockage et au transport de l'hydrogène et à l'énergie propre

L'hydrogène est difficile à stocker et à transporter. Il peut être combiné avec de l'azote pour former de l'ammoniac, qui est plus facile à liquéfier et à transporter ; une fois sur place, l'ammoniac est à nouveau décomposé en hydrogène et en azote. Cependant, la décomposition nécessite généralement des températures supérieures à 600 °C, ce qui représente un défi majeur pour les catalyseurs. Ce nouveau nanocatalyseur à cinq métaux résolve simultanément les deux grands problèmes que sont l'activité et la stabilité, et a le potentiel de réduire considérablement les coûts de décomposition de l'ammoniac, favorisant ainsi l'application pratique de l'ensemble de la chaîne de l'industrie de l'hydrogène.