Un matériau à base de nanotubes de carbone produit de l’électricité en utilisant l’énergie de son environnement

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Des ingénieurs du MIT ont découvert une nouvelle façon de produire de l’électricité en utilisant de minuscules particules de carbone pouvant générer un courant électrique simplement en interagissant avec le liquide qui les entoure. Le liquide, un solvant organique, attire les électrons des particules, générant un courant qui pourrait être utilisé pour initier des réactions chimiques dans le but d’alimenter des capteurs biomédicaux ou des robots à l’échelle micro ou nanométrique.

« Ce mécanisme est nouveau, et cette façon de générer de l’énergie est complètement nouvelle. Cette technologie est intrigante car tout ce que vous avez à faire est de faire passer un solvant à travers un groupe de ces particules. Cela vous permet de faire de l’électrochimie, mais sans fil », déclare Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT.

Dans une nouvelle étude décrivant ce phénomène, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser ce courant électrique pour entraîner une réaction connue sous le nom d’oxydation de l’alcool, une réaction chimique organique importante dans l’industrie chimique. La nouvelle découverte est née des recherches de Strano sur les nanotubes de carbone, des tubes creux constitués d’un réseau d’atomes de carbone, qui ont des propriétés électriques uniques.

En 2010, Strano a démontré, pour la première fois, que les nanotubes de carbone peuvent générer des « ondes thermoélectriques ». Lorsqu’un nanotube de carbone est recouvert d’une couche de combustible, des impulsions de chaleur en mouvement ou des ondes thermoélectriques se déplacent le long du tube, créant un courant électrique.

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Des particules génératrices d’électricité

Ce travail a conduit Strano et ses étudiants à découvrir une caractéristique connexe des nanotubes de carbone. Ils ont découvert que lorsqu’une partie d’un nanotube est recouverte d’un polymère de type téflon, cela crée une asymétrie qui permet aux électrons de passer de la partie revêtue à la partie non revêtue du tube, générant un courant électrique. Ces électrons peuvent être retirés en immergeant les particules dans un solvant capteur d’électrons.

Pour exploiter cette capacité spéciale, les chercheurs ont créé des particules génératrices d’électricité en broyant des nanotubes de carbone et en les transformant en une feuille de matériau semblable à du papier. Un côté de chaque feuille a été recouvert d’un polymère de type téflon, et les chercheurs ont ensuite découpé de petites particules, qui peuvent être de n’importe quelle forme ou taille. Pour cette étude, ils ont fabriqué des particules de 250 microns sur 250 microns.

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a) Illustration schématique de microparticules Janus générant de l’électricité pour alimenter des réactions électrochimiques redox (par exemple, Fe2+ → Fe3+ ou Cu2+ → Cu0) in situ, au lieu d’un potentiostat comme source de tension. b) Illustration schématique du mécanisme de génération d’électricité de la microparticule Janus. Le dopage chimique asymétrique est réalisé via un revêtement polymère spatialement asymétrique. Le transfert partiel d’électrons induit par les molécules de CH3CN adsorbées sur la surface o-SWNT retire la densité électronique du site d’adsorption, abaissant ainsi l’énergie de Fermi (EF) correspondante, attirant le flux d’électrons suivant le gradient EF prescrit. © Albert Tianxiang Liu et al. 2021

Lorsque ces particules sont immergées dans un solvant organique tel que l’acétonitrile, le solvant adhère à la surface non revêtue des particules et commence à en retirer des électrons. « Le solvant enlève des électrons et le système essaie de s’équilibrer en déplaçant les électrons. Il n’y a pas de chimie de batterie sophistiquée à l’intérieur. C’est juste une particule placée dans un solvant qui commence à générer un champ électrique », explique Strano.

Jusqu’à 0.7 V par particule

La version actuelle peut générer environ 0.7 volt par particule. Dans cette étude, les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient former des réseaux de centaines de particules dans un petit tube à essai. Ce réacteur génère suffisamment d’énergie pour alimenter une réaction chimique appelée oxydation de l’alcool, dans laquelle un alcool est converti en aldéhyde ou cétone.

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Habituellement, cette réaction n’est pas effectuée en utilisant l’électrochimie car elle nécessiterait trop de courant externe. « Parce que le réacteur à lit fixe est compact, il a plus de flexibilité en matière d’applications qu’un grand réacteur électrochimique. Les particules peuvent être très petites et elles ne nécessitent aucun fil externe pour entraîner la réaction électrochimique », précisent les auteurs.

Vers une génération d’électricité à partir de CO2

Dans ses futurs travaux, Strano espère utiliser ce type de génération d’énergie pour fabriquer des polymères en utilisant uniquement du dioxyde de carbone comme matériau de départ. Dans un projet connexe, il a déjà créé des polymères qui peuvent se régénérer en utilisant le dioxyde de carbone comme matériau de construction, dans un processus alimenté par l’énergie solaire. Ce travail s’inspire de la fixation du carbone, l’ensemble des réactions chimiques que les plantes utilisent pour fabriquer des sucres à partir du dioxyde de carbone, en utilisant l’énergie du soleil.

À plus long terme, cette approche pourrait également être utilisée pour alimenter des robots à l’échelle micro ou nanométrique. Le laboratoire de Strano a déjà commencé à construire des robots à cette échelle, qui pourraient un jour être utilisés comme capteurs de diagnostic ou environnementaux. L’idée de pouvoir récupérer l’énergie de l’environnement pour alimenter ce genre de robots est séduisante. « Cela signifie que vous n’avez pas besoin de stocker l’énergie à bord. Ce que nous aimons dans ce mécanisme, c’est que vous pouvez puiser l’énergie, au moins en partie, dans l’environnement », conclut Strano.

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Sources : Nature Communications

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