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Un groupe multidisciplinaire de l’INRS unit ses forces dans le domaine des applications catalytiques des semi-conducteurs.
Professeur Andreas Ruediger. Photo: Josée Lecompte
En science, peu importe le domaine, les expertises s’entrecroisent bien souvent. À l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), c’est particulièrement vrai pour de nombreux champs d’études où les membres du corps professoral collaborent pour pousser un peu plus loin un domaine précis. C’est le cas d’une équipe menée par le professeur Andreas Ruediger, qui a réuni des spécialistes d’horizons différents. Ensemble, l’équipe a étudié un problème de catalyse et fait avancer nos connaissances des applications catalytiques.
« Le sujet nécessitait une expertise dans différentes disciplines, notamment la physique, la chimie et les sciences des matériaux. Nous avons eu la chance que notre équipe réunisse toutes ces expertises. »
Andreas Ruediger, professeur au Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Et l’équipe de recherche est arrivée à une découverte inattendue!
Passer à la vitesse supérieure
Les fondements des travaux de l’équipe reposaient sur des considérations environnementales, de performance énergétique et, bien sûr, sur les coûts des matériaux. Au cœur de ces travaux : l’énergie, pour soutenir cette vedette de notre quotidien qu’est la catalyse. Les différentes formes d’énergie que nous utilisons, dont l’énergie solaire, utilisent des métaux catalytiques pour accélérer les réactions chimiques et atteindre une meilleure performance. Des nanomatériaux d’oxydes moins coûteux et moins rares pourraient-ils offrir de nouvelles possibilités en catalyse? Et si, en plus, ils produisaient une faible empreinte environnementale et de bons résultats?
Les procédés catalytiques sont indissociables de la filière énergétique actuelle et de toute prospective en matière d’énergie. Ils interviennent aujourd’hui dans la production de la majorité des produits de première nécessité (fibres textiles et appareils électroniques, par exemple). Pour simplifier, la catalyse permet de diriger la réaction visée dans le sens désiré. Elle a aussi pour effet de diminuer la quantité d’énergie nécessaire afin d’entraîner une réaction plus rapide. Le catalyseur est donc la substance qui permet d’augmenter la vitesse d’une réaction chimique. La catalyse, actrice secondaire, agit pour orienter l’énergie nécessaire dans le bon sens, à la bonne vitesse.
Améliorer l’efficacité des processus
L’accroissement de l’efficacité des processus catalytiques apporte d’ores et déjà des solutions pour réduire la demande en énergie. Elle permet également de décomposer les polluants qui sont émis dans l’environnement. De plus, de nouveaux procédés faisant appel en partie aux nanotechnologies permettent de coupler propriétés physiques et chimiques.
« Nos travaux pourraient conduire à une meilleure efficacité dans la conversion et l’utilisation des énergies renouvelables, notamment solaires. »
Andreas Ruediger
Ifeanyichukwu Amaechi, Azza Hadj Youssef, Andreas Dörfler, Yoandris González, Rajesh Katoch et Andreas Ruediger, tous chercheurs à l’INRS, ont accordé une attention particulière à la discrimination entre le rôle des charges libres et celui des charges liées au sein de certains photo- et piézocatalyseurs. Un élément crucial pour démêler les différentes contributions à la réaction catalytique au profit de l’amélioration globale de la performance catalytique, par exemple dans le traitement des eaux usées et finalement dans le fractionnement de l’eau.
Les pérovskites d’oxyde non centrosymétriques présentent l’effet photovoltaïque volumique et la piézoélectricité, tandis que la présence supplémentaire d’un axe polaire donne lieu à la pyroélectricité et éventuellement à la ferroélectricité.
Certaines des propriétés du catalyseur étaient déjà connues pour améliorer les réactions photoélectriques et photochimiques.
« On pensait que la faible mobilité des porteurs présentée par ces matériaux entravait leur applicabilité en catalyse en matière de transport de charges. »
Ifeanyichukwu Amaechi, chercheur postdoctoral à l’INRS
Le groupe a découvert que le rôle des porteurs de charge liés, auparavant considéré comme négligeable, pourrait apporter une contribution substantielle à la performance catalytique globale. « Ce travail est un bel exemple de l’importance, en science des matériaux, d’avoir l’œil sur la complexité des processus et de considérer dans quelles conditions même de petits effets peuvent devenir significatifs », conclut IfeanyichukwuAmaechi, auteur principal de l’article. Cette découverte offre un grand potentiel d’améliorations futures.
Une direction que l’équipe du professeur Ruediger souhaite explorer.
À propos de l’article
Publié en juillet 2022, l’article « Catalytic Applications of Non-Centrosymmetric Oxide Nanomaterials » a été publié dans Angewandte Chemie. Les coauteurs de l’article sont Ifeanyichukwu Amaechi (auteur principal), Azza Hadj Youssef, Andreas Dörfler, Yoandris González, Rajesh Katoch et Andreas Ruediger.
Leurs travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).
