En science, quel que soit le domaine, les expertises se recoupent souvent. À l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), cela est particulièrement vrai pour de nombreux domaines d’études où les membres du corps professoral collaborent pour repousser encore plus loin les limites d’un domaine spécifique. Et c’est également vrai pour une équipe dirigée par le professeur Andreas Ruediger, qui a réuni des spécialistes de plusieurs horizons différents. Ensemble, l’équipe a étudié un problème catalytique et approfondi nos connaissances sur les applications catalytiques.
« Le sujet demandait une expertise dans une variété de disciplines, y compris la physique, la chimie et la science des matériaux. Nous avons eu la chance d’avoir une équipe qui a réuni toute cette expertise. » Andreas Ruediger, professeur au Centre de Recherche Énergie Matériaux Télécommunications.
L’équipe de recherche a fait une découverte inattendue.
Passer à la vitesse supérieure
Le travail de l’équipe s’est basé sur des considérations environnementales, de performance énergétique et, bien entendu, de coût des matériaux. Au cœur du projet : l’énergie, notamment l’énergie de soutien à la catalyse, élément vital de notre quotidien. Les différentes formes d’énergie que nous utilisons, y compris l’énergie solaire, utilisent des métaux catalytiques pour accélérer les réactions chimiques et obtenir de meilleures performances. Des nanomatériaux oxydes moins chers et moins rares pourraient-ils offrir de nouvelles opportunités en catalyse ? Et s’ils produisaient également une petite empreinte environnementale et des résultats solides ?
Les procédés catalytiques font partie intégrante du secteur énergétique actuel et de toutes les perspectives énergétiques futures. Aujourd’hui, ils interviennent dans la production de la plupart des produits de première nécessité (fibres textiles et appareils électroniques, par exemple). En termes simples, la catalyse permet d’orienter une réaction dans la direction souhaitée. Il réduit également la quantité d’énergie nécessaire pour produire une réaction plus rapide. Le catalyseur est la substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique. La catalyse, acteur secondaire, dirige l’énergie nécessaire dans la bonne direction, à la bonne vitesse.
Amélioration de l’efficacité des processus
L’amélioration de l’efficacité des procédés catalytiques génère déjà des solutions pour réduire la demande énergétique. Il décompose également les polluants qui sont émis dans l’environnement. Par ailleurs, de nouveaux procédés, en partie basés sur les nanotechnologies, sont utilisés pour coupler propriétés physiques et chimiques.
« Notre travail pourrait conduire à une plus grande efficacité dans la conversion et l’utilisation des énergies renouvelables, en particulier l’énergie solaire », a déclaré Andreas Ruediger
Ifeanyichukwu Amaechi, Azza Hadj Youssef, Andreas Dörfler, Yoandris González, Rajesh Katoch et Andreas Ruediger, tous chercheurs à l’INRS, ont porté une attention particulière à distinguer le rôle des charges libres et liées au sein de certains photo- et piézocatalyseurs. Ceci est crucial pour démêler les contributions à la réaction catalytique, conduisant à l’amélioration globale des performances catalytiques dans des domaines tels que le traitement des eaux usées et, finalement, le fractionnement de l’eau.
Les oxydes de pérovskite non centrosymétriques présentent l’effet photovoltaïque volumique et la piézoélectricité, tandis que la présence supplémentaire d’un axe polaire génère de la pyro- et éventuellement de la ferroélectricité.
Certaines propriétés du catalyseur étaient déjà connues pour améliorer les réactions photoélectriques et photochimiques.
« On pensait que la faible mobilité des porteurs de ces matériaux entravait leur applicabilité dans le transport de charge pendant la catalyse », a déclaré Ifeanyichukwu Amaechi, chercheur postdoctoral à l’INRS.
Le groupe a découvert que les porteurs de charge liés, dont on pensait auparavant qu’ils jouaient un rôle négligeable, pouvaient contribuer de manière substantielle aux performances catalytiques globales. « Ce travail est un excellent exemple de l’importance en science des matériaux d’avoir un œil sur la complexité des processus et de considérer dans quelles conditions même de petits effets peuvent devenir significatifs », conclut Amaechi, auteur principal de l’article publié dans Angewandte Chemie International Edition. Cette découverte offre un grand potentiel d’améliorations futures, que l’équipe du professeur Ruediger a hâte d’explorer.
Plus d’information:
Ifeanyichukwu C. Amaechi et al, Applications catalytiques des nanomatériaux d’oxyde non centrosymétriques, Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI : 10.1002/anie.202207975
Fourni par l’Institut national de la recherche scientifique – INRS