Le MXène, un nanomatériau utilisé dans la technologie des batteries et comme lubrifiant haute performance, était auparavant difficile et dangereux à produire. Cependant, les chercheurs de la TU Wien ont désormais développé de nouvelles méthodes plus sûres pour sa production.
L’une des tendances les plus révolutionnaires en science des matériaux est l’étude des matériaux bidimensionnels (2D), des substances composées d’une seule couche d’atomes. Ces matériaux présentent souvent des propriétés totalement différentes de celles de leurs homologues en vrac constitués des mêmes éléments. Ce domaine de recherche a pris de l’ampleur avec la découverte du graphène, qui a ensuite remporté un prix Nobel.
Aujourd’hui, l’attention se tourne vers une nouvelle classe de matériaux 2D connus sous le nom de MXènes (prononcé “Maxènes”), composés principalement de titane et de carbone. Des chercheurs de la TU Wien (Université de technologie de Vienne), en collaboration avec les sociétés CEST et AC2T, explorent le potentiel de ces matériaux.
Les MXenes offrent une gamme impressionnante de propriétés. Ils se révèlent prometteurs dans des applications telles que le blindage électromagnétique, le stockage d’énergie et les technologies de détection avancées. Il est remarquable de constater que les chercheurs de la TU Wien ont également découvert que les MXènes fonctionnent exceptionnellement bien comme lubrifiants solides, même dans des conditions extrêmes comme celles rencontrées dans l’espace.
Cependant, l’un des principaux obstacles réside dans la nature dangereuse et toxique des méthodes conventionnelles de production de MXène, qui reposent généralement sur des acides forts. Ce défi a désormais été surmonté. Une équipe de la TU Wien a développé un processus de synthèse plus sûr basé sur l’électricité qui élimine le besoin de produits chimiques toxiques. Cette avancée a été publiée dans la prestigieuse revue Small.
Fini l’acide fluorhydrique toxique
Pour produire des MXènes, vous avez d’abord besoin de phases dites MAX. Ce sont des matériaux qui peuvent être constitués, par exemple, de couches d’aluminium, de titane et de carbone”, explique Pierluigi Bilotto de l’unité de recherche en tribologie de l’Institut de conception technique et de développement de produits de la TU Wien. “Jusqu’à présent, l’acide fluorhydrique était utilisé pour graver l’aluminium dans le MAX, ce qui aboutissait alors à un système de couches atomiquement minces pouvant glisser les unes contre les autres avec très peu de résistance. Cela fait de ces MXenes un excellent lubrifiant.
Mais manipuler l’acide fluorhydrique n’est pas une tâche facile. Il est toxique et nocif pour l’environnement, et il existe des réglementations strictes sur la façon de manipuler ce produit chimique. Pour cela, vous avez besoin d’équipements de laboratoire spéciaux et coûteux, et vous obtenez des déchets qui doivent être éliminés de manière coûteuse.
C’est pourquoi MXenes n’a pas encore réalisé de percée majeure dans l’industrie”, explique Pierluigi Bilotto. “Il est difficile de mettre en place un tel processus à l’échelle industrielle, et de nombreuses entreprises hésitent naturellement à franchir cette étape.
Pierluigi Bilotto a donc entrepris de trouver une meilleure méthode– avec le professeur Carsten Gachot et le professeur Markus Valtiner de la TU Wien, le Dr Markus Ostermann du CEST de Wiener Neustadt, Marko Pjlievic de l’AC2T et d’autres.
Électrochimie
“L’électrochimie offre une voie alternative pour rompre les liaisons aluminium en phase MAX, ” explique Pierluigi Bilotto. “Lorsqu’une tension électrique est appliquée, la phase MAX subit un courant électrique qui initie des réactions à ses interfaces. En sélectionnant précisément la tension, nous sommes en mesure d’ajuster les réactions de manière à ce que seuls les atomes d’aluminium soient éliminés, laissant comme produit des MXènes électrochimiques (EC-MXènes).
L’équipe a constaté qu’une technique électrochimique très spécifique peut être utilisée pour améliorer la gravure électrochimique et la qualité globale de l’EC-MXène : des impulsions de courant bien dosées. Alors que la réactivité de la surface diminue souvent rapidement avec d’autres méthodes, de courtes impulsions de courant provoquent la formation de petites bulles d’hydrogène sur les matériaux de la phase MAX, nettoyant et réactivant la surface. Cela permet de maintenir la réaction électrochimique pendant des périodes plus longues et de produire une grande quantité d’EC-MXènes.
Le produit obtenu a ensuite été analysé avec des techniques avancées telles que la microscopie à force atomique, la microscopie électronique à balayage et à transmission, la spectroscopie de photoélectrons Raman et X et la diffusion d’ions à basse énergie. – ses propriétés sont au moins aussi bonnes que celles des MXènes précédemment produits à l’aide d’acide fluorhydrique. “Mon objectif est de rendre la synthèse du MXène extrêmement simple. Cela devrait être possible dans n’importe quelle cuisine”, explique Pierluigi Bilotto. “Et nous en sommes très proches.”
