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Un processus simple pour créer des matériaux métalliques poreux

Industrie et  Technologies
Des chercheurs de Cornell University développent un processus innovant et simple pour fabriquer des films poreux d'oxydes métalliques cristallins. Du fait de leur très grande surface d'échange, ils pourraient être rapidement utilisés dans les piles à comb


Dans une pile à combustible, un matériau avec des pores nanométriques offre une très grande surface sur laquelle un carburant peut interagir avec un catalyseur. De même, dans les cellules solaires, un matériau poreux offre une plus grande surface sur laquelle la lumière peut être absorbée et convertie en électricité.

Jusqu'à maintenant, ces matériaux poreux étaient créés sur des "gabarits troués" en carbone ou en silice, ou en utilisant des polymères s'auto-assemblant en une structure mousseuse. Réaliser ces supports poreux et y obtenir une distribution uniforme des oxydes métalliques, était difficile. L'approche polymère restait toutefois la plus simple et permettait une bonne structuration du dépôt, mais les oxydes métalliques devant être chauffés à des températures élevées pour cristalliser régulièrement, cela pouvait provoquer l'effondrement des pores du polymère.

Les chercheurs de Cornell University ont combiné ce que Ulrich Wiesner, professeur de Science et Génie des matériaux, appelle "le meilleur des deux approches", en utilisant un copolymère appelé Poly (isoprene-block-ethylene oxide) ou PI-b-PEO, qui se transforme en carbone lorsqu'il est chauffé à haute température dans un gaz inerte, l'argon, offrant ainsi un support solide à la cristallisation de l'oxyde métallique. Après cette cristallisation, en poursuivant le chauffage dans l'air, le carbone brûle et disparaît. Ulrich Wiesner a appelé ce procédé CASH, pour "combined assembly by soft and hard chemistries".




Dans le procédé CASH, le polymère PI-b-PEO s'organise de lui-même en rangées de pores cylindriques entourés d'une solution d'oxyde métallique. Chauffé en l'absence d'oxygène, il se transforme en carbone et offre un support rigide au dépôt de l'oxyde métallique, malgré la montée en température nécessaire à l'uniformisation de la cristallisation. A la fin du process, la poursuite du chauffage dans l'air brûle le carbone et laisse un matériau en oxyde métallique poreux.


Les chercheurs ont ainsi créé des films poreux d'oxyde de titane, utilisés dans les cellules solaires, et d'oxyde de niobium, un support catalytique potentiel pour les piles à combustible. « Au début du process, les produits chimiques qui réagissent pour former les oxydes métalliques sont mélangés dans une solution de PI-b-PEO. Lors de la réaction, la partie PI du copolymère forme de minuscules cylindres d'environ 20 nanomètres qui sont entourés d'oxyde métallique, puis les traitements thermiques laissent une structure uniforme, hautement cristalline d'oxyde métallique comportant de multiples pores cylindriques. Les pores sont soigneusement ordonnés suivant des motifs hexagonaux, ce qui crée une plus grande surface que si les pores étaient distribués de manière aléatoire », explique Ulrich Wiesner. « La prochaine étape est maintenant d'utiliser le procédé CASH pour créer des matériaux métalliques poreux ».

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.news.cornell.edu



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