Cet alliage à haute entropie de 14 métaux possède d’excellentes propriétés catalytiques. © Takeshi Fujita
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Un incroyable alliage nanoporeux qui contient les 14 principaux métaux

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Une équipe de chercheurs japonais a synthétisé un alliage à haute entropie composé de 14 éléments différents dans des proportions exactement équivalentes. Un « effet cocktail » qui lui confère des propriétés électrocatalytiques exceptionnelles.

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Sa formule chimique est Al87Ag1Au1Co1Cu1Fe1Ir1Mo1Ni1Pd1Pt1Rh1Ru1Ti1. Une équipe de chercheurs japonais a synthétisé un alliage contenant pas moins de 14 éléments, à savoir l'aluminium, l'argent, l'or, le cobalt, le cuivre, le fer, l'iridium, le molybdenum, le nickel, le palladium, le platine, le rhodium, le ruthénium et le titane. Ce nouveau matériau appartient à la classe des alliages à haute entropie, constitués de cinq éléments ou plus dans des proportions quasi équimolaires. Grâce à leur structure extrêmement stable et leur richesse microstructurée, ces matériaux présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles de résistance et de ténacité. Découverts fortuitement dans les années 2000, ils font depuis l'objet de toutes les attentions et les scientifiques testent chaque jour de nouvelles « recettes ».

Une composition originale

L'intérêt du nouvel alliage à 14 métaux se situe pourtant moins du côté des propriétés mécaniques que de son pouvoir de catalyseur. « La plupart des catalyseurs en alliage conventionnels contiennent un constituant métallique primaire avec un pourcentage atomique élevé, tel que le platine, et un ou deux types de constituants métalliques mineurs avec un pourcentage atomique relativement faible, explique Guofeng Wang, scientifique des matériaux à l'Université de Pittsburgh -- qui n'a pas participé à l'étude. Les constituants mineurs fournissent normalement les effets bénéfiques de ligands ou de déformation qui améliorent la performance catalytique du constituant métallique primaire ». Mais, avec cette nouvelle formule, plus de constituants majeurs et mineurs, puisque tous les éléments sont en proportion équimolaire. « On obtient ainsi des millions d'arrangements atomiques possibles », explique Takeshi Fujita, chercheur à l'Université de technologie de Kochi et principal auteur de l'étude parue dans le journal Chemical Science. Cette capacité de déformation permet de créer de nombreux « creux » qui rendent le matériau très poreux, une des propriétés recherchées pour la catalyse afin de produire un filtre efficace -- plus la surface de contact est grande, plus la réaction est rapide.

Spectre montrant la présence de 14 éléments en quantité équimolaire. © Takeshi Fujita et al., Chemical Science, 2021

L’effet cocktail

La fabrication d'alliages à plus de 10 éléments est toutefois très complexe. « Comme l'eau et le pétrole, il n'est pas facile de mélanger de nombreux éléments uniformément », explique Takeshi Fujita. Les chercheurs ont donc eu recours à une méthode nommée « désalliage », qui consiste à corroder sélectivement un élément. Les 14 éléments sont mélangés dans une solution alcaline, qui va dégrader l'aluminium. Les matériaux autres que l'aluminium, non dissous, s'agrègent en une forme solide avec une répartition uniforme au niveau atomique. Une surface nanoporeuse est ainsi obtenue avec des pores d'environ 5 nanomètres, ce qui confère à l'alliage ses exceptionnelles propriétés catalytiques. Fujita décrit son nouveau matériau comme « effet cocktail », le mélange des différents métaux modifiant leur comportement. « Un cocktail est savoureux non pas à cause de la somme de chaque élément, mais à cause des goûts inattendus de la combinaison d'ingrédients », illustre-t-il. L'intérêt par rapport aux catalyseurs conventionnels est, bien entendu, que l'on a ici besoin d'une moindre quantité métaux rares et chers comme le platine ou le palladium.

Des électrodes pour la fabrication d’hydrogène

L'équipe a évalué la performance de l'alliage dans la réaction d'électrocatalyse de l'hydrogène et de l'oxygène en condition acide. Le nouvel alliage a montré une excellente stabilité électrochimique, un transport rapide des électrons et une cinétique élevée. Il a, en outre, conservé sa morphologie et sa structure poreuse, même après avoir passé dix heures dans un environnement acide. Cela prouve qu'il pourrait constituer un excellent candidat pour des électrodes dans la catalyse de l'eau. Un énorme débouché, puisqu'il s'agit ni plus ni moins de produire de l’hydrogène, présenté comme le carburant du futur.

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