Tess Joosse
Des chercheurs ont développé une nouvelle classe de membranes nanotubulaires qui permettent un transport ultra-rapide des ions. Ces découvertes ouvrent de nouvelles voies pour la production d’énergie propre à haut rendement, la récupération du lithium et la séparation moléculaire.
L’étude, publiée dans Nature Nanotechnology et co-écrite par des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago, montre que de minuscules canaux en forme de tubes appelés nanotubes de nitrure de bore peuvent transporter certains ions beaucoup plus rapidement que prévu. Ces tubes déplacent sélectivement les ions lithium par rapport à d’autres types, agissant comme une voie rapide sur une autoroute. Les résultats suggèrent une plateforme prometteuse pour des applications allant de la production d’« énergie bleue », où l’énergie est extraite de la convergence de l’eau salée et de l’eau douce, à l’extraction du lithium pour les batteries.
« C’est un mécanisme unique qui transporte les ions lithium très rapidement à travers les nanotubes », a déclaré Sangil Kim, professeur associé de génie chimique à l’UIC et auteur de l’article. « Le transport ionique est bien supérieur aux estimations théoriques et aux systèmes expérimentaux existants. »
Le transport ionique est central dans de nombreux procédés industriels. Lorsque les sels se dissolvent dans l’eau, ils se séparent en ions chargés positivement et négativement qui peuvent se déplacer à différentes vitesses à travers les nanocanaux. Contrôler la façon dont ces ions traversent les membranes est important pour des technologies telles que les batteries, le dessalement, la récupération de minéraux critiques et les systèmes d’énergie renouvelable. Cependant, réaliser à la fois un transport ionique rapide et sélectif reste un défi scientifique et technique majeur.
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont créé des membranes contenant des millions de minuscules tubes en nanotubes de nitrure de bore, qui se comportent de manière inhabituelle et portent une charge à leur surface. Lorsque les scientifiques ont placé les membranes entre des solutions ioniques de salinités différentes, ils ont constaté que les ions traversaient les pores beaucoup plus rapidement que prévu. Les ions lithium, en particulier, se déplaçaient 31 fois plus vite que ce que les chercheurs attendaient. Également surprenant : la façon dont les ions se déplaçaient les uns par rapport aux autres ; les ions lithium filaient dans les canaux beaucoup plus rapidement que les autres ions.
Pour tester davantage le système, Kim et ses collègues ont montré que leurs petites membranes pouvaient alimenter des appareils électroniques courants en utilisant uniquement des solutions salines. « Elles peuvent faire fonctionner une montre et une calculatrice », a affirmé Kim.
L’idée de produire de l’électricité à partir du mouvement des ions n’est pas nouvelle. « C’est ainsi qu’une anguille électrique produit de l’électricité », a expliqué Kim. Dans la nature, les anguilles génèrent des décharges électriques en contrôlant le flux d’ions à travers des cellules spécialisées de leur corps appelées électrocytes. Ces cellules utilisent des canaux ioniques pour convertir les gradients chimiques en électricité. Les scientifiques explorent depuis longtemps comment recréer des processus similaires dans des dispositifs artificiels, comme dans les membranes utilisées dans cette étude.
Pour la suite, Kim et ses collègues espèrent tester d’autres applications des membranes, en particulier les capacités de séparation du lithium des tubes. « Nous pourrions appliquer ces résultats à la récupération du lithium à partir des piles usagées », a-t-il précisé. Ils prévoient également d’étudier en détail comment ce transport ionique anormal se produit.
Kim a commencé à étudier les nanotubes de nitrure de bore lorsqu’il est arrivé à l’UIC il y a une dizaine d’années. Il attribue la collaboration interdisciplinaire et le soutien du Collège d’ingénierie, ainsi que les compétences et le dévouement des étudiants chercheurs de l’université, à l’avancement du projet.
« Mes talentueux étudiants, y compris les anciens doctorants Aaditya Pendse et Kun Wang, méritent d’être reconnus pour leurs contributions à cette étude », a souligné Kim. « La qualité des étudiants ici à l’UIC est très, très élevée. »
Article : Anomalous ultrafast lithium-ion transport through boron nitride nanotube membranes – Journal : Nature Nanotechnology – DOI : Lien vers l’étude
Source : UIC
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