Un dioxyde de titane hybride nanoporeux photoactif

Résultats scientifiques Matériaux

Pour combiner les performances optoélectroniques déjà prometteuses du dioxyde de titane, utilisé notamment pour les cellules solaires, et celles des solides nanoporeux, des chercheurs de l’Institut des matériaux poreux de Paris (CNRS/ENS Paris/ESPCI/PSL Université), de l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) et de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech/Ministère de la Culture/PSL Université) ont créé un matériau hybride nanoporeux stable et plus « vert ».

Dentifrice, peinture, crème solaire, caoutchouc… Avec sa faible toxicité, son abondance naturelle élevée et sa stabilité remarquable, le dioxyde de titane (TiO2) joue un rôle essentiel dans de nombreux produits courants. Il connaît également une utilisation croissante dans les domaines avancés liés aux systèmes énergétiques (photocatalyse, cellules solaires) de par ses propriétés électrochimiques prometteuses. Afin d’améliorer encore ces performances, une équipe de chercheur de l’Institut des matériaux poreux de Paris (CNRS/ENS Paris/ESPCI/PSL Université), de l’Institut Lavoisier de Versailles (CNRS/UVSQ), de l’Institut Charles Gerhardt Montpellier (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier), du laboratoire Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (CNRS/Université d’Orléans) et de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech/Ministère de la Culture/PSL Université) a mis au point un matériau hybride nanoporeux à base de chaînes d’oxyde de titane – Ti-MOF – qui combine pour la première fois l’ensemble des propriétés visées.

Un TiO2 avec une porosité parfaitement organisée à l’échelle atomique rendrait en effet accessibles les molécules au cœur de la structure, plutôt que de se limiter à la surface. C’est un moyen efficace d’amplifier les réactions chimiques et d’augmenter la diffusion de réactifs et de produits au sein du matériau. Malheureusement, les essais actuels pour rendre cette structure poreuse conduisent à des matériaux de faible qualité en termes de stabilité et/ou de cristallinité. Les chercheurs se sont donc tournés vers les matériaux hybrides organiques/inorganiques poreux de type MOF. Synthétisé via un protocole respectueux de l’environnement et facilement modulable sur le plan chimique, ce Ti-MOF présente une structure poreuse hautement cristalline avec une excellente stabilité chimique. De plus, la présence de nanofils d’oxyde de titane en son sein induit un comportement intrinsèquement photoconducteur qui se rapproche de celui du dioxyde de titane dense, ce qui rend ce composé prometteur en tant qu’édifice préliminaire poreux pour de nombreuses applications potentielles. À titre d’exemple, l’introduction d’un polymère conducteur (donneur) au sein des pores du Ti-MOF (accepteur) conduit à une augmentation spectaculaire du temps de vie des charges séparées sous irradiation, ce qui ouvre la voie vers de nouvelles applications en optoélectronique, catalyse ou détection.

 

 

En collaboration avec l’université de Kyoto au Japon et le synchrotron Soleil

 

²Metal-Organic Framework – MOF

 

Légende : Le Ti-MOF se présente sous deux formes, basse température (LT, à gauche, vue de face) et haute température (HT, à droite, vue en perspective) ©Sujing Wang
Légende : Le Ti-MOF se présente sous deux formes, basse température (LT, à gauche, vue de face) et haute température (HT, à droite, vue en perspective)

©Sujing Wang

 

 

Sujing Wang, Takashi Kitao, Nathalie Guillou, Mohammad Wahiduzzaman, Charlotte Martineau-Corcos, Farid Nouar, Antoine Tissot, Laurent Binet, Naseem Ramsahye, Sabine Devautour-Vinot, Susumu Kitagawa, Shu Seki, Yusuke Tsutsui, Valérie Briois, Nathalie Steunou, Guillaume Maurin, Takashi Uemura, Christian Serre
A Phase Transformable Ultrastable Titanium-carboxylate Framework as A Porous Functional Scaffold 
Nature Communications – Avril 2018
DOI:10.1038/s41467-018-04034-w

 

 

 

Contact

Christian Serre
Chercheur (FRE2000 IMAP)
Sophie Félix
Chargée de communication
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
INC & Institut parisien de chimie moléculaire