Les nanomatériaux hybrides promettent une amélioration de la durabilité dans de nombreuses industries
Les nanohybrides à base de polyoxométalate (POM) pourraient constituer un changement radical en matière de durabilité dans un grand nombre d'industries, mais la recherche sur ces substances n'en est qu'à ses balbutiements. Un groupe de chercheurs a dressé un bilan complet des progrès réalisés dans ce secteur et des défis qu'il reste à relever.
Dessin animé montrant les applications potentielles et les variétés de nanohybrides à base de POM
Polyoxometalates, Tsinghua University Press
Une nouvelle classe de matériaux hybrides à l'échelle nanométrique pourrait améliorer la durabilité des systèmes énergétiques, des transports, des biocapteurs, de la purification de l'eau et même de l'impression 3D, mais le domaine est encore très jeune. Un groupe de chercheurs a dressé un panorama détaillé de l'état d'avancement des nanohybrides à base de polyoxométalate (POM), traçant ainsi la voie de la recherche dans ce domaine de pointe de la science des matériaux.
Au cours des dernières décennies, une nouvelle classe de matériaux à l'échelle nanométrique, ou plus simplement de nanomatériaux, est apparue, dans laquelle une unité unique présente des dimensions de l'ordre de 1 à 100 nanomètres. À cette échelle, les matériaux peuvent présenter des propriétés physiques, chimiques et biologiques uniques et souvent améliorées, qui diffèrent de celles des matériaux plus massifs ou "en vrac". Par exemple, les matériaux à l'échelle nanométrique peuvent avoir un rapport surface/volume plus élevé, ce qui peut augmenter leur réactivité et leur capacité à catalyser (déclencher ou accélérer) des réactions chimiques.
Le nanomatériau le plus connu est sans doute le graphène, mais les nanomatériaux peuvent être fabriqués à partir d'un large éventail de substances, notamment des métaux, des semi-conducteurs, des céramiques et des polymères. Plus récemment, les chercheurs ont également développé des nanohybrides. Il s'agit de substances qui combinent deux ou plusieurs types de nanomatériaux différents.
Les nanohybrides à base de polyoxométalate (POM) présentent un intérêt particulier pour les chercheurs, notamment ceux qui cherchent à rendre la production industrielle plus durable. Ces nanohybrides possèdent des propriétés catalytiques uniques dans les réactions photoélectrochimiques, qui permettent de produire de l'électricité à partir de la lumière ou de diviser l'eau en hydrogène et en oxygène produits proprement. Les nanohybrides à base de POM sont donc des candidats prometteurs pour un large éventail d'applications, notamment la conversion et le stockage d'énergie propre, ainsi que les capteurs et l'électronique qui ne dépendent pas de l'utilisation de sources d'énergie polluantes.
Les POM sont une très large catégorie de composés inorganiques stables et bon marché, constitués d'ions métalliques, généralement des métaux de transition tels que le tungstène ou le molybdène, liés entre eux par des atomes d'oxygène pour former un réseau tridimensionnel. Les POM sont généralement de grandes molécules complexes qui peuvent avoir une grande variété de formes et de tailles, et ils présentent une variété de propriétés intéressantes et utiles.
"Nous avons donc pensé qu'il était temps de faire une pause et de produire une vue d'ensemble de la situation actuelle afin d'identifier les lacunes et les controverses potentielles en matière de recherche", a déclaré Guangjin Zhang, auteur correspondant de l'article de synthèse et chimiste au Key Laboratory of Green Process and Engineering auprès des académies chinoises des sciences.
Les articles de synthèse scientifique constituent une partie essentielle du processus scientifique, visant à résumer et à évaluer de manière critique l'état actuel des connaissances sur un sujet particulier dans un domaine scientifique donné, à évaluer la qualité et la fiabilité de la littérature existante et à suggérer des orientations de recherche futures.
Les auteurs de la revue concluent que ce qui rend les POM si intéressants, c'est la façon dont ils peuvent améliorer les propriétés catalytiques photoélectrochimiques du matériau nanohybride qui en résulte. En effet, les POM peuvent agir à la fois comme accepteurs et donneurs d'électrons, ce qui leur permet de faciliter le transfert de charge électrique et d'améliorer l'efficacité des réactions concernées. Mieux encore, les POM peuvent également agir en tant que catalyseurs, ce qui renforce encore les propriétés catalytiques du matériau nanohybride.
L'étude explique également la différence entre les nanohybrides binaires et ternaires à base de POM, les premiers étant constitués de deux matériaux nanométriques fonctionnels et les seconds de trois. Les nanohybrides binaires combinent le POM et un métal, le POM et un semi-conducteur ou le POM et un nanocarbone, tandis que les nanohybrides ternaires combinent un POM, un métal et un nanocarbone.
Les auteurs notent que les nanohybrides binaires ont été largement étudiés et ont montré des résultats prometteurs dans une variété d'applications, y compris la photocatalyse, les piles à combustible et les biocapteurs. Les nanohybrides ternaires, quant à eux, ont le potentiel de combiner les propriétés uniques de trois matériaux différents, ce qui se traduit par une fonctionnalité et une polyvalence encore plus grandes.
L'un des domaines les plus prometteurs de la recherche sur les nano-hybrides à base de POM des deux types provient de leur utilisation en photocatalyse, c'est-à-dire l'utilisation de la lumière pour déclencher des réactions chimiques. Les nanohybrides à base de POM peuvent améliorer l'efficacité des réactions photocatalytiques, ce qui pourrait avoir des applications importantes dans des domaines tels que la conversion de l'énergie solaire et l'assainissement de l'environnement. Les nanohybrides peuvent également trouver des applications dans les piles à combustible, qui sont des dispositifs convertissant l'énergie chimique en énergie électrique, comme par exemple dans les transports alimentés à l'hydrogène. Les nanohybrides à base de POM peuvent améliorer l'efficacité et la durabilité des piles à combustible.
Un autre domaine non lié à l'énergie durable dans lequel les nanohybrides à base de POM sont très prometteurs concerne leur application dans les biocapteurs, des dispositifs qui détectent et mesurent des substances biologiques ou chimiques dans un échantillon par le biais de changements dans les signaux électriques résultant de réactions biochimiques. La grande surface des nanohybrides et leur capacité à immobiliser des biomolécules, entre autres propriétés, les rendent particulièrement adaptés à ce type de dispositifs. Des chercheurs ont déjà utilisé des nanohybrides à base de POM pour développer des biocapteurs capables de détecter des substances telles que la simazine et le peroxyde d'hydrogène avec une grande sensibilité. Ces biocapteurs peuvent être utilisés dans un large éventail d'applications, allant du diagnostic médical à la surveillance de l'environnement. D'autres applications émergentes incluent la purification de l'eau, les semi-conducteurs et l'impression 3D.
L'un des principaux défis auxquels sont confrontés les chercheurs dans ce domaine est que, bien que les nanohybrides ternaires à base de POM offrent des performances encore plus élevées, la recherche n'en est pour l'instant qu'à ses débuts, avec une compréhension plus limitée des propriétés et du comportement des nanohybrides ternaires. Leurs applications potentielles sont encore en cours d'exploration et le développement et l'optimisation des nanohybrides ternaires pour des applications spécifiques peuvent poser des problèmes. En outre, pour tous les types de nano-hybrides POM, la solubilité des molécules POM dans les hybrides peut dégrader leurs performances en tant que catalyseurs. Leur dispersion non uniforme sur et dans des substances conductrices reste également un problème persistant, et lorsqu'ils sont combinés avec des métaux ou des oxydes métalliques, le contrôle de la taille et de la forme des particules est difficile.
Les auteurs affirment qu'une plus grande attention portée à la compréhension fondamentale de la relation entre la structure des hybrides et leur activité chimique devrait aider à surmonter ces obstacles pour des applications plus larges, et appellent à une plus grande coopération entre les différentes disciplines pour y parvenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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