Phosphore et arsenic : un impact considérable sur les batteries et les cellules solaires

Des chercheurs britanniques ont mis au point des rubans d’un atome d’épaisseur composés de phosphore associé à de l’arsenic, qui pourraient améliorer considérablement l’efficacité des dispositifs comme les batteries, les supercondensateurs et les cellules solaires.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’énergie, la médecine et l’informatique quantique.

Les nanorubans de phosphore et d’arsenic

En 2019, l’équipe de recherche de l’UCL a découvert les nanorubans de phosphore, un matériau prometteur pour révolutionner divers dispositifs, allant des batteries aux capteurs biomédicaux. Par contre, les matériaux à base de phosphore uniquement ne conduisent pas très bien l’électricité, limitant leur utilisation pour certaines applications.

Dans la nouvelle étude, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, les chercheurs ont créé des nanorubans composés de phosphore et de petites quantités d’arsenic, qui se sont révélés capables de conduire l’électricité à des températures supérieures à -140 °C, tout en conservant les propriétés très utiles des rubans de phosphore uniquement.

Applications potentielles

Le Dr Adam Clancy, auteur principal de l’étude, explique que l’ajout d’arsenic aux nanorubans de phosphore ouvre de nouvelles possibilités, notamment l’amélioration du stockage d’énergie des batteries et des supercondensateurs, ainsi que l’amélioration des détecteurs proche infrarouge utilisés en médecine.

De plus, les rubans d’arsenic et de phosphore se sont avérés être magnétiques, ce qui les rend potentiellement intéressants pour les ordinateurs quantiques.

Les chercheurs estiment que la même technique pourrait être utilisée pour créer des alliages combinant du phosphore avec d’autres éléments tels que le sélénium ou le germanium.

Impact sur les batteries et les cellules solaires

Pour être utilisés comme matériau d’anode dans les batteries lithium-ion ou sodium-ion, les nanorubans de phosphore devraient actuellement être mélangés à un matériau conducteur comme le carbone. En ajoutant de l’arsenic, le remplissage de carbone n’est plus nécessaire et peut être éliminé, augmentant ainsi la quantité d’énergie que la batterie peut stocker et la vitesse à laquelle elle peut être chargée et déchargée.

Dans les cellules solaires, les nanorubans d’arsenic et de phosphore peuvent également améliorer le flux de charge à travers les dispositifs, augmentant ainsi l’efficacité des cellules.

L’une des principales caractéristiques des nanorubans est qu’ils présentent également une « mobilité des trous » extrêmement élevée. Les trous sont les partenaires opposés des électrons dans le transport électrique, de sorte que l’amélioration de leur mobilité (une mesure de la vitesse à laquelle ils se déplacent dans le matériau) permet au courant électrique de circuler plus efficacement.

Les nanorubans pourraient être produits à grande échelle dans un liquide qui pourrait ensuite être utilisé pour les appliquer en volume et à faible coût à différentes applications.

En synthèse

Les nanorubans de phosphore et d’arsenic développés par les chercheurs de l’UCL offrent un potentiel considérable pour améliorer l’efficacité des dispositifs énergétiques, médicaux et informatiques. Cette découverte pourrait conduire à des avancées majeures dans le domaine des batteries, des supercondensateurs, des cellules solaires et des ordinateurs quantiques.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que les nanorubans de phosphore et d’arsenic ?

Les nanorubans de phosphore et d’arsenic sont des structures d’un atome d’épaisseur composées de phosphore allié à de l’arsenic. Ils présentent des propriétés électriques et magnétiques intéressantes pour diverses applications.

2. Quelles sont les applications potentielles de ces nanorubans ?

Les applications potentielles incluent l’amélioration du stockage d’énergie des batteries et des supercondensateurs, l’amélioration des détecteurs proche infrarouge utilisés en médecine et l’utilisation dans les ordinateurs quantiques.

3. Comment ces nanorubans peuvent-ils améliorer les batteries ?

En ajoutant de l’arsenic aux nanorubans de phosphore, le remplissage de carbone n’est plus nécessaire, ce qui permet d’augmenter la quantité d’énergie que la batterie peut stocker et la vitesse à laquelle elle peut être chargée et déchargée.

4. Comment ces nanorubans peuvent-ils améliorer les cellules solaires ?

Les nanorubans d’arsenic et de phosphore peuvent améliorer le flux de charge à travers les dispositifs, augmentant ainsi l’efficacité des cellules solaires.

5. Quelles sont les prochaines étapes pour ces nanorubans ?

Les chercheurs continueront à explorer les propriétés et les applications potentielles des nanorubans de phosphore et d’arsenic, ainsi que la possibilité de créer des alliages avec d’autres éléments tels que le sélénium ou le germanium.

* Les nanorubans de phosphore ont été découverts à l’UCL par une équipe interdisciplinaire dirigée par le professeur Chris Howard (UCL Physics & Astronomy). Depuis l’isolement des feuilles de phosphorène bidimensionnelles en 2014, plus de 100 études théoriques ont prédit de nouvelles propriétés passionnantes qui pourraient émerger en produisant des rubans étroits de ce matériau.

Article : « Production of Magnetic Arsenic–Phosphorus Alloy Nanoribbons with Small Band Gaps and High Hole Conductivities » – DOI: 10.1021/jacs.3c03230