Nouveau matériau pour le stockage de l'énergie et les applications optoélectroniques
"GTUB3" est le premier solide microporeux, métallo-organique, à la fois conducteur et photoluminescent.
Des chercheurs de l'Université technique de Berlin ont mis au point un nouveau matériau appartenant à la classe des composés microporeux de type MOF (metal-organic framework). D'une part, ces composés peuvent stocker de petites molécules et des gaz tels que l'hydrogène, le CO2 ou même des toxines. D'autre part, grâce à la grande surface résultant du volume élevé de pores, ils conviennent également comme matériau pour les électrodes, par exemple dans les supercondensateurs, qui peuvent être chargés beaucoup plus rapidement que les batteries classiques. Le problème à ce jour est que la majorité des MOFs sont de très mauvais conducteurs d'électricité. Le nouveau matériau créé par les chercheurs, appelé GTUB3, est à la fois un bon conducteur et un matériau extrêmement stable sur les plans chimique et thermique. Ce qui le rend unique, c'est qu'il est également photoluminescent, c'est-à-dire qu'il brille lorsqu'il est irradié par la lumière. Par conséquent, il pourrait également être utilisé dans des applications optoélectroniques et des cellules solaires.
La structure 3D du nouveau matériau GTUB3 avec des pores
© Gündoğ Yücesan
Les cadres métallo-organiques, ou MOF, sont considérés comme l'une des classes de matériaux les plus intéressantes de la chimie moderne. Ils sont constitués d'atomes de métal directement liés à des molécules organiques. "Par le passé, nous n'appréciions ces structures cristallines que pour leur beauté esthétique. Certaines d'entre elles évoquent même des tuiles marocaines", explique le Dr Gündoğ Yücesan, de la Faculté III - Sciences des procédés de la TU Berlin. "Ce qui les rend intéressants aujourd'hui, ce sont les nombreuses cavités qui font des MOF microporeux des supports de stockage idéaux, ainsi que leurs grandes surfaces, qui facilitent les réactions."
Une construction modulaire
Avant tout, les nouveaux composés de cette classe de substances peuvent être développés de manière très systématique en raison de la structure modulaire de leurs molécules. Les unités de construction inorganiques - ou UBI - sont reliées entre elles par des entretoises organiques à longue chaîne - autrement dit des lieurs. Cela permet de former des structures élémentaires à grande échelle, qui sont ensuite répétées en couches ou empilées en tant que blocs de construction pour former des cristaux.
Résistant à la chaleur et chimiquement stable
S'il existe déjà plus de 100 000 MOF, certains aspects de ce domaine de recherche sont encore peu développés. "En particulier en ce qui concerne les MOF microporeux contenant du phosphore, dont il existe moins de 50 exemplaires à ce jour", explique Yücesan. "Ils ont piqué notre intérêt car les premiers MOF phosphorés connus se sont révélés très stables thermiquement et chimiquement." Des propriétés idéales pour les matériaux d'électrodes qui doivent pouvoir résister à de longues périodes dans des électrolytes ou même des acides, y compris lorsqu'il fait chaud pendant les réactions.
Conducteurs dans les trois directions de l'espace
Le principal problème est que les MOF sont généralement des isolants - une propriété de base médiocre pour des électrodes à travers lesquelles des porteurs de charge doivent circuler. En réponse, en 2020, Yücesan et son équipe ont conçu deux MOF phosphoreux microporeux à conductivité plus élevée, "TUB75" et "TUB40" (du nom de la TU Berlin), en collaboration avec d'autres universités et instituts de recherche. La création de GTUB3 a été l'occasion d'honorer la contribution de l'Université technique de Gebze en Turquie. Outre l'acide phosphonique, le nouveau composé contient les métaux cuivre et zinc ainsi que la porphyrine, qui se compose de quatre cycles carbonés. Toutes ces matières premières sont bon marché, disponibles en grandes quantités et non toxiques pour l'homme et l'environnement. Contrairement à ses deux prédécesseurs, le semi-conducteur GTUB3 est également conducteur dans les trois directions de l'espace et résiste à des températures allant jusqu'à 400 degrés Celsius.
Utilisation dans les supercondensateurs pour les voitures, les bus et les trains
Gündoğ Yücesan voit un grand potentiel pour GTUB3 dans l'amélioration des supercondensateurs, tels que ceux utilisés pour le stockage d'électricité à court terme dans la récupération de l'énergie de freinage dans les bus et les trains ainsi que dans certaines voitures. Ces supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique à très haute densité de puissance qui peuvent être chargés plusieurs fois plus rapidement que les batteries classiques. Cependant, ils stockent beaucoup moins d'énergie que les batteries de même masse. Les nouveaux matériaux d'électrode - comme le GTUB3 - visent à réduire cet écart. "Le nouveau composé convient également aux procédés de couches minces souvent utilisés dans l'industrie pour l'application sur des substrats", explique M. Yücesan.
Des propriétés intéressantes pour les LED et les cellules solaires
En guise de bonus, le GTUB3 est également photoluminescent, c'est-à-dire qu'il émet de la lumière lorsqu'il est irradié. Cette propriété est essentielle pour le fonctionnement des diodes électroluminescentes (LED) et des cellules solaires. Cet éventail de propriétés fait de ce nouveau matériau un point de départ idéal pour le développement de toute une famille de MOF à base de phosphore, se réjouit Yücesan. "L'acide phosphonique présente également un grand nombre de possibilités de liaison avec les métaux, ce qui nous laisse une grande marge de manœuvre dans notre travail de développement." La TU Berlin a déjà déposé une demande de brevet pour GTUB3, le noyau de cette famille.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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