Le nanomatériau MXene est utilisé dans la technologie des batteries ou comme lubrifiant de haute performance. Jusqu’à présent, sa production était difficile et toxique. De nouvelles méthodes ont été mises au point à la TU Wien.
C’est l’une des tendances les plus significatives de la science des matériaux : les matériaux constitués d’une seule couche d’atomes, appelés « matériaux 2D », présentent souvent des propriétés complètement différentes de celles des couches plus épaisses constituées des mêmes atomes. Ce domaine de recherche a débuté avec le graphène, lauréat du prix Nobel. Aujourd’hui, la TU Wien (Vienne), en collaboration avec les entreprises CEST et AC2T, mène des recherches sur la classe de matériaux des MXènes (prononcez Maxenes), qui se composent principalement de titane et de carbone.
Ces MXènes ont des propriétés qui semblent presque miraculeuses : ils peuvent être utilisés pour le blindage électromagnétique, pour le stockage de l’énergie ou pour de nouveaux capteurs. À la TU Wien, on a découvert qu’ils conviennent également parfaitement comme lubrifiants solides, même dans les conditions les plus difficiles, par exemple dans le domaine de la technologie spatiale. Jusqu’à présent, le seul problème était que la production de ces MXènes était considérée comme extrêmement dangereuse et toxique. Mais une nouvelle méthode a été mise au point : au lieu d’un acide toxique, on utilise de l’électricité.
Fini l’acide fluorhydrique toxique
« Pour produire des MXènes, il faut d’abord des phases dites MAX. Il s’agit de matériaux qui peuvent être constitués, par exemple, de couches d’aluminium, de titane et de carbone », indique Pierluigi Bilotto de l’unité de recherche en tribologie de l’Institut de conception technique et de développement de produits de l’Université technique de Vienne (TU Wien). « Jusqu’à présent, l’acide fluorhydrique était utilisé pour décaper l’aluminium dans le MAX, ce qui donnait un système de couches atomiquement fines qui pouvaient glisser l’une contre l’autre avec très peu de résistance. Cela fait de ces MXenes un excellent lubrifiant ».
Mais la manipulation de l’acide fluorhydrique n’est pas une tâche facile. Il est toxique et nocif pour l’environnement, et la manipulation de ce produit chimique est soumise à des réglementations strictes. Il faut un équipement de laboratoire spécial et coûteux pour le manipuler, et on obtient des déchets qui doivent être éliminés à grands frais. « C’est pourquoi les MXènes n’ont pas encore fait de percée majeure dans l’industrie », explique Pierluigi Bilotto. « Il est difficile de mettre au point un tel procédé à l’échelle industrielle, et de nombreuses entreprises hésitent à franchir le pas, ce qui est compréhensible. »
Pierluigi Bilotto s’est donc mis à la recherche d’une meilleure méthode, en collaboration avec les professeurs Carsten Gachot et Markus Valtiner de l’université de Vienne, le docteur Markus Ostermann du CEST à Wiener Neustadt, Marko Pjlievic de l’AC2T et d’autres.
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L’électrochimie
« L’électrochimie offre une autre possibilité de rompre les liaisons de l’aluminium dans la phase MAX », explique Pierluigi Bilotto. « Lorsqu’une tension électrique est appliquée, la phase MAX subit un courant électrique qui déclenche 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 découvert qu’une technique électrochimique très spécifique peut être utilisée pour améliorer la gravure électrochimique et la qualité générale des MXènes électrochimiques : 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 en phase MAX, ce qui nettoie et réactive la surface. Cela permet de maintenir la réaction électrochimique pendant des périodes plus longues et de produire une grande quantité d’EC-MXenes.
Le produit obtenu a ensuite été analysé à l’aide de techniques avancées telles que la microscopie à force atomique, la microscopie électronique à balayage et à transmission, la spectroscopie Raman et la spectroscopie photoélectronique à rayons X, ainsi que la diffusion d’ions à basse énergie. – Ses propriétés sont au moins aussi bonnes que celles des MXènes produits précédemment à l’aide d’acide fluorhydrique. « Mon objectif est de rendre la synthèse du MXène extrêmement simple. Elle devrait être possible dans n’importe quelle cuisine », conclut Pierluigi Bilotto. « Et nous en sommes très proches. »
Légende illustration : Pierluigi Bilotto, Markus Ostermann, Marko Piljevic (gauche à droite)
Article : « Pulsed Electrochemical Exfoliation for an HF-Free Sustainable MXene Synthesis » – DOI : 10.1002/smll.202500807
