Des feuilles de « cubes » nanométriques récemment découvertes se révèlent être des catalyseurs efficaces

Des chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo ont créé des feuilles de « cubes » de chalcogénure de métal de transition reliés par des atomes de chlore. Alors que les feuilles d’atomes ont été largement étudiées, par exemple le graphène, les travaux de l’équipe innovent en utilisant des clusters à la place. La recherche est publiée dans la revue Matériaux avancés.

L’équipe a réussi à former des nanorubans à l’intérieur de nanotubes de carbone pour la caractérisation structurelle, tout en formant des feuilles de cubes à l’échelle microscopique qui pouvaient être exfoliées et sondées. Ces derniers se sont révélés être un excellent catalyseur pour la production d’hydrogène.

Les matériaux bidimensionnels constituent une avancée majeure dans le domaine de la nanotechnologie, car ils permettent de créer des matériaux dotés de propriétés électroniques et physiques exotiques, spécifiques à leur nature en feuille.

Si le graphène est bien connu, on s’intéresse également beaucoup aux chalcogénures de métaux de transition (TMC), composés d’un métal de transition et d’un élément du groupe 16 comme le soufre ou le sélénium. Par exemple, il a été démontré que les nanofeuilles de TMC peuvent émettre de la lumière et présentent d’excellentes performances en tant que transistors.

Mais même si les progrès sont réalisés à un rythme soutenu, dans la plupart des cas, il s’agit d’amener les atomes à former la bonne structure cristalline dans des géométries en feuillets.

Une équipe de chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo, dirigée par le professeur adjoint Yusuke Nakanishi, a eu l’idée d’essayer une approche différente : est-il possible d’utiliser des clusters TMC et de les organiser en motifs bidimensionnels ? Cette nouvelle voie d’assemblage de nanofeuilles permettrait de créer une toute nouvelle classe de nanomatériaux.

L’équipe a concentré ses efforts sur des agrégats cubiques « superatomiques » de molybdène et de soufre. Ils ont fait croître leur matériau à partir d’une vapeur de chlorure de molybdène (V) et de soufre dans les confins nanométriques de nanotubes de carbone.

Les nanorubans ainsi développés sont bien isolés et peuvent être clairement visualisés au moyen d’un microscope électronique à transmission (MET). Ils ont confirmé que leur matériau était constitué de « cubes » isolés de sulfure de molybdène reliés par des atomes de chlore, distincts des structures cubiques trouvées dans les matériaux en vrac.

Mais pour que le matériau soit utile dans les applications, il doit être fabriqué dans des dimensions plus grandes. Dans la même expérience, l’équipe a trouvé un matériau floconneux recouvrant l’intérieur de leur tube de réaction en verre.

En séparant le solide des parois, ils ont découvert qu’il était constitué de paillettes microscopiques relativement grandes composées des mêmes amas superatomiques disposés selon un motif hexagonal. Bien que l’équipe n’ait commencé qu’à explorer le potentiel de leur nouveau matériau, elle a déjà montré théoriquement que la même structure sous de minuscules contraintes pouvait émettre de la lumière.

Ils ont également découvert qu’il pourrait s’agir d’un catalyseur efficace pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER), le plus souvent observée lorsque de l’hydrogène est généré lorsqu’un courant traverse l’eau. Comparé au disulfure de molybdène, lui-même un matériau catalytique prometteur, le nouveau matériau en couches a montré un courant significativement plus élevé à des tensions plus faibles lors du sondage, indiquant une plus grande efficacité.

Bien qu’il y ait encore beaucoup à venir, leur nouvelle approche d’assemblage de nanofeuilles promet toute une gamme de nouveaux matériaux conçus de manière rationnelle avec de nouvelles fonctions intéressantes.