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Aug 08, 2023

GTUB3 est le premier métal microporeux

14 décembre 2022 par Université technique de Berlin Des chercheurs de la TU Berlin ont développé un nouveau matériau de la classe des composés microporeux à structure organométallique (MOF). D'une part, tel

14 décembre 2022

par l'Université technique de Berlin

Des chercheurs de la TU Berlin ont développé un nouveau matériau de la classe des composés microporeux à structure organométallique (MOF). D’une part, de tels composés peuvent stocker de petites molécules et des gaz comme l’hydrogène, le CO2 ou encore 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 ces travaux est publiée dans la revue Advanced Optical Materials.

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, appelé GTUB3, est à la fois un 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 dans les 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'appréciions 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 de la TU 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."

Surtout, les nouveaux composés de cette classe de substances peuvent être développés de manière très systématique grâce à la structure modulaire de leurs molécules.

Les unités de construction inorganiques – ou IBU – sont reliées les unes aux autres via des entretoises organiques à longue chaîne, en d'autres termes, des agents de liaison. Cela permet de former des structures élémentaires à grande échelle, qui sont ensuite répétées soit en couches, soit empilées comme éléments de base pour former des cristaux.

Bien qu’il existe déjà plus de 100 000 MOF, il y a eu encore peu de développement dans certains domaines de ce domaine de recherche. "Surtout en ce qui concerne les MOF microporeux contenant du phosphore, qui sont jusqu'à présent moins de 50", explique Yücesan.

"Ils ont éveillé notre intérêt car les premiers MOF phosphoreux connus se sont révélés thermiquement et chimiquement très stables." Ce sont des propriétés idéales pour les matériaux d’électrode qui doivent pouvoir résister de longues périodes dans des électrolytes voire des acides, y compris lorsqu’ils deviennent chauds lors de réactions.

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 été l'occasion 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, composée de quatre cycles carbonés. 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 résiste à des températures allant jusqu'à 400 degrés Celsius.

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, elles stockent beaucoup moins d’énergie que des batteries de même masse. Les nouveaux matériaux d'électrode, tels que le GTUB3, visent à réduire cet écart. "Le nouveau composé convient également aux procédés de couches minces souvent utilisés dans l'industrie pour les applications sur des substrats", explique Yücesan.