Les scientifiques de l’Université Rice qui « flashent » des matériaux pour synthétiser des substances comme le graphène se sont tournés vers le nitrure de bore, très apprécié pour sa stabilité thermique et chimique.
Le processus du laboratoire Rice du chimiste James Tour expose un précurseur au chauffage et au refroidissement rapides pour produire des matériaux bidimensionnels, dans ce cas du nitrure de bore pur et du nitrure de bore et de carbone. Les deux ont jusqu’à présent été difficiles à créer en vrac et presque impossibles à produire sous une forme facilement soluble.
Le rapport du laboratoire en Matériaux avancés détaille comment le chauffage flash Joule, une technique introduite par le laboratoire Tour en 2020, peut être réglé pour préparer des flocons microscopiques purifiés de nitrure de bore avec différents degrés de carbone.
Des expériences avec le matériau ont montré que les flocons de nitrure de bore peuvent être utilisés dans le cadre d’un puissant revêtement anticorrosion.
« Le nitrure de bore est un matériau 2D très recherché », a déclaré Tour. « Pouvoir le fabriquer en vrac, et maintenant avec des quantités mixtes de carbone, le rend encore plus polyvalent. »
À l’échelle nanométrique, le nitrure de bore se présente sous plusieurs formes, notamment une configuration hexagonale qui ressemble au graphène mais avec une alternance d’atomes de bore et d’azote au lieu de carbone. Le nitrure de bore est doux, il est donc souvent utilisé comme lubrifiant et comme additif pour les cosmétiques, et se trouve également dans les céramiques et les composés métalliques pour améliorer leur capacité à supporter une chaleur élevée.
L’ingénieur chimiste de Rice, Michael Wong, a récemment rapporté que le nitrure de bore est un catalyseur efficace pour aider à détruire le PFAS, un « produit chimique éternel » dangereux trouvé dans l’environnement et chez les humains.
Le chauffage Flash Joule consiste à placer des matériaux sources entre deux électrodes dans un tube et à envoyer une décharge électrique rapide à travers eux. Pour le graphène, les matériaux peuvent être à peu près tout ce qui contient du carbone, les déchets alimentaires et les pièces de voiture en plastique usagées n’étant que deux exemples. Le processus a également réussi à isoler des éléments de terres rares à partir de cendres volantes de charbon et d’autres matières premières.
Dans des expériences menées par Weiyin Chen, étudiant diplômé de Rice, le laboratoire a introduit du borane d’ammoniac (BH3NH3) dans la chambre de flash avec des quantités variables de noir de carbone, en fonction du produit souhaité. L’échantillon a ensuite été flashé deux fois, d’abord avec 200 volts pour dégazer l’échantillon d’éléments étrangers et de nouveau avec 150 volts pour terminer le processus, avec un temps de flashage total de moins d’une seconde.
Les images au microscope ont montré que les flocons sont turbostratiques, c’est-à-dire désalignés comme des plaques mal empilées, avec des interactions affaiblies entre eux. Cela rend les flocons faciles à séparer.
Ils sont également facilement solubles, ce qui a conduit aux expériences anti-corrosion. Le laboratoire a mélangé du nitrure de bore flash avec de l’alcool polyvinylique (PVA), peint le composé sur un film de cuivre et exposé la surface à une oxydation électrochimique dans un bain d’acide sulfurique.
Le composé flashé s’est avéré plus de 92% meilleur pour protéger le cuivre que le PVA seul ou un composé similaire avec du nitrure de bore hexagonal commercial. Des images microscopiques ont montré que le composé créait des « voies de diffusion tortueuses pour les électrolytes corrosifs », pour atteindre le cuivre, et empêchait également les ions métalliques de migrer.
Chen a déclaré que la conductivité du précurseur peut être ajustée non seulement en ajoutant du carbone mais aussi avec du fer ou du tungstène.
Il a déclaré que le laboratoire voyait un potentiel pour flasher des matériaux supplémentaires. « Les précurseurs qui ont été utilisés dans d’autres méthodes, telles que le dépôt hydrothermique et chimique en phase vapeur, peuvent être essayés dans notre méthode flash pour voir si nous pouvons préparer plus de produits avec des caractéristiques métastables », a déclaré Chen. « Nous avons démontré des carbures métalliques en phase métastable clignotante et des dichalcogénures de métaux de transition, et cette partie mérite plus de recherche. »
Weiyin Chen et al, Turbostratic Bore-Carbon-Azote et Bore-Nitrure par chauffage Flash Joule, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202202666