Des chercheurs de la TU Berlin ont développé un nouveau matériau de la classe des composés microporeux à structure métallo-organique (MOF). 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, la grande surface résultant du volume élevé de pores signifie qu’ils conviennent également comme matériau pour les électrodes comme dans les supercondensateurs, qui peuvent être chargées beaucoup plus rapidement que les batteries conventionnelles.
Une étude décrivant ce travail est publiée dans la revue Matériaux optiques avancés.
Le problème à ce jour est que la majorité des MOF sont de très mauvais conducteurs d’électricité. Le nouveau matériau créé par les chercheurs, baptisé GTUB3, est à la fois bon conducteur et extrêmement stable chimiquement et thermiquement. Ce qui le rend unique, c’est qu’il est également photoluminescent, ce qui signifie qu’il brille lorsqu’il est irradié par la lumière. En conséquence, il pourrait également être utilisé dans des applications optoélectroniques et des cellules solaires.
Les structures métallo-organiques, ou MOF, sont considérées comme l’une des classes de matériaux les plus intéressantes de la chimie moderne. Ils sont constitués d’atomes métalliques directement liés à des molécules organiques. « Dans le passé, nous n’apprécions ces structures cristallines que pour leur beauté esthétique. Certaines d’entre elles rappellent en fait les carreaux marocains », explique le Dr Gündoğ Yücesan de la Faculté III – Sciences des procédés à l’Université technique de 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. »
Construction modulaire
Surtout, de nouveaux composés dans 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 IBU – sont connectées les unes aux autres via des entretoises organiques à longue chaîne – en d’autres termes, des lieurs. Cela permet de former des structures élémentaires à grande échelle, qui sont ensuite répétées soit en couches, soit empilées sous forme de blocs de construction pour former des cristaux.
Résistant à la chaleur et chimiquement stable
Alors qu’il existe déjà plus de 100 000 MOF, il y a encore peu de développement dans certains domaines de ce domaine de recherche. « Surtout en ce qui concerne les MOF microporeux contenant du phosphore, dont il existe moins de 50 à ce jour », explique Yücesan.
« Ils ont piqué notre intérêt car les premiers MOF phosphoreux connus se sont avérés thermiquement et chimiquement très stables. » Ce sont 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 devient chaud pendant les réactions.
Conducteur dans les trois directions spatiales
Le principal problème est que les MOF sont généralement des isolants, une propriété de base médiocre pour les électrodes à travers lesquelles les 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 TU Berlin), en collaboration avec d’autres universités et instituts de recherche.
La création de GTUB3 a permis d’honorer la contribution de l’Université technique de Gebze en Turquie. En plus de l’acide phosphonique, le nouveau composé contient les métaux cuivre et zinc ainsi que la porphyrine, qui se compose de quatre anneaux de carbone. Toutes ces matières premières sont bon marché, disponibles en grande quantité 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 spatiales et résistant à des températures jusqu’à 400 degrés Celsius.
Potentiel dans les supercondensateurs pour voitures, bus et trains
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 conventionnelles. Cependant, ils stockent beaucoup moins d’énergie que des batteries de même masse. De nouveaux matériaux d’électrode, tels que GTUB3, sont destinés à réduire cet écart. « Le nouveau composé convient également aux procédés à couches minces souvent utilisés dans l’industrie pour une application sur des substrats », explique Yücesan.
Propriétés intéressantes pour les LED et les cellules solaires
Comme une sorte de bonus supplémentaire, GTUB3 est également photoluminescent, ce qui signifie qu’il émet de la lumière lorsqu’il est irradié. Ceci est essentiel pour le fonctionnement des diodes électroluminescentes (LED) et des cellules solaires.
Cette gamme de propriétés fait du nouveau matériau un point de départ idéal pour le développement de toute une famille de MOF à base de phosphore, déclare Yücesan. « L’acide phosphonique a également un grand nombre de possibilités de liaison aux métaux, ce qui nous donne une grande marge de manœuvre dans notre travail de développement. » TU Berlin a déjà déposé une demande de brevet pour GTUB3, le noyau de cette famille.
Plus d’information:
Yunus Zorlu et al, Structures métalliques-organiques de phosphonate de porphyrine photoluminescentes électriquement conductrices, Matériaux optiques avancés (2022). DOI : 10.1002/adom.202200213
Fourni par l’Université technique de Berlin