Libérer le potentiel des anti-pérovskites grâce à une voie de synthèse pratique en une seule étape

Bien que les perovskites aient récemment suscité beaucoup d’intérêt, les anti-perovskites recèlent tout autant de potentiel que les matériaux fonctionnels. Présentant une structure cristalline similaire à celle des perovskites mais avec une configuration électrique inversée, les anti-perovskites présentent des propriétés particulières qui pourraient être exploitées, notamment une dilatation thermique négative, une conductivité ionique et même une supraconductivité. Malheureusement, jusqu’à présent, la synthèse d’anti-perovskites de taille nanométrique s’est avérée difficile, ce qui freine l’utilisation de ces matériaux prometteurs dans les applications catalytiques.

Dans une étude récente publié dans le Journal de chimie des matériaux Aune équipe de recherche dirigée par le professeur Yuji Iwamoto du département des sciences de la vie et de la chimie appliquée de l’Institut de technologie de Nagoya, au Japon, s’est attaquée aux défis actuels qui entravent la synthèse d’anti-pérovskites à base de nitrure. Ils ont démontré une technique de synthèse pratique pour produire un matériau nanocomposite composé de céramique de nitrure de silicium amorphe (a-SiN) avec des cristaux anti-pérovskites Ni3InN de taille nanométrique intégrés.

Leur travail a été co-écrit par le jeune professeur international (professeur invité) Shotaro Tada et le professeur Ravi Kumar du département de génie métallurgique et des matériaux de l’Indian Institute of Technology Madras (IIT Madras), en Inde, et le directeur de recherche Samuel Bernard de l’Université de Limoges, en France.

La méthode de synthèse proposée peut être classée comme une voie de « céramiques dérivées de polymères » (PDC). Tout d’abord, le polysilazane, utilisé comme précurseur de nitrure de silicium, est modifié chimiquement pour inclure des molécules de NiCl2 et d’InCl3. Ensuite, par pyrolyse dans une atmosphère d’ammoniac (NH3) à une température relativement basse de 300 °C, le précurseur modifié est transformé en une seule étape en une matrice a-SiN avec des anti-pérovskites intégrées.

« Alors que notre équipe de recherche a a déjà développé une voie de synthèse « Pour les nanocomposites de métaux de transition/a-SiN utilisant des polysilazanes modifiés avec des chlorures de métaux de transition, cette étude récente présente une nouvelle approche adoptant plusieurs espèces métalliques, aboutissant à la croissance in situ de nanoparticules intermétalliques Ni3InN dans une matrice amorphe », explique le professeur Iwamoto.

Le Dr Tada explique : « Au cours des premières étapes de la recherche, nous avons rencontré des difficultés pour obtenir un composé Ni3InN monophasé par mélange stœchiométrique. Grâce à une analyse systématique utilisant différents types de polysilazanes et à des études spectroscopiques, nous avons découvert que la présence de groupes vinyle dans les polysilazanes affaiblissait l’interaction avec InCl3 en raison d’un encombrement stérique, ce qui conduisait à une migration accrue des sources d’In dans des nanoparticules de Ni préformées à des températures plus basses. Nous avons résolu ce problème en ajoutant un excès d’InCl3, ce qui a entraîné la formation d’un composé Ni3InN monophasé. »

Cette stratégie de synthèse ascendante présente plusieurs avantages. Tout d’abord, le matériau nanocomposite obtenu est hautement microporeux et contient de nombreuses interfaces entre Ni3InN et la matrice a-SiN. Ainsi, il permet de modifier la structure électronique des surfaces des nanoparticules anti-pérovskites formées in situ. De plus, en tant que méthode à basse température en une seule étape, elle offre une voie simple pour obtenir des matériaux complexes et hautement fonctionnels.

Les chercheurs ont également présenté, comme preuve de concept, la capacité du composite a-SiN/Ni3InN à adsorber et à désorber le CO2, ce qui pourrait être essentiel pour activer et transformer de petites molécules en composés à valeur ajoutée pour des applications énergétiques propres.

« Ce type de nanocomposite, avec sa composition multi-métalliques diversifiée, présente un potentiel prometteur pour la conception de catalyseurs hétérogènes. En offrant une diversité structurelle et une modifiabilité, il pourrait faciliter la découverte de nouvelles fonctionnalités catalytiques », remarque le Dr Bernard.

Les chercheurs espèrent que ces découvertes passionnantes ouvrent la voie à des matériaux polyvalents avec des applications durables.