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Une équipe de l’INRS a mis au point un procédé plasma pour la synthèse de matériaux photothermiques qui offrent un éventail de possibilités, dont la purification et le dessalement des eaux.
De gauche à droite : My Ali El Khakani, Thomas Vicart, Loick Pichon et Sanjit Varma
LLa conversation de l’énergie solaire en énergie thermique est une technologie en constante évolution qui donne lieu à de nombreuses applications. Une réalisation récente, dans le laboratoire du professeur My Ali El Khakani à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), représente une contribution significative dans le domaine. Le professeur spécialisé en procédés plasmas-laser pour l’élaboration de matériaux nanostructurés et son équipe basée au Centre énergie matériaux et télécommunications de l’INRS ont développé un nouveau matériau photothermique qui convertit avec une efficacité inégalée la lumière du soleil en chaleur. Les résultats de leurs travaux viennent de paraître dans la revue Scientific Reports.
Depuis quelques décennies, les oxydes de Titane stochiometriques sont connues pour leurs propriétés exceptionnelles en photocatalyse. Une classe de ce même matériau qui a la particularité d’être sous-stœchiométriques (i.e.; léger manque d’atomes d’oxygène) avec des compositions spécifiques est connue sous le terme « phases de Magnéli » Parmi ces phases de Magnéli, la forme Ti4O7 est la composition qui offre les propriétés électriques, chimiques et catalytiques les plus attrayantes. Leur comportement photothermique n’a été exploré que depuis quelques années. Les travaux récents de l’équipe du professeur El Khakani ont permis de révéler le potentiel inégalé des couches minces de Ti4O7 pour la conversion photothermique super-efficace.
Repousser les limites des matériaux
L’une des principales contraintes d’utilisation potentielle du Ti4O7 résidait dans le procédé de synthèse et la forme finale du matériau obtenu.
« Classiquement, le Ti4O7 est synthétisé par des méthodes de réductions thermiques sous forme de poudre. Cette méthode ne permet pas d’obtenir la phase pure de ce dernier et donc de contrôler sa composition, sa morphologie et sa nanostructure », mentionne Loick Pichon, doctorant à l’INRS et premier auteur de la publication. « Ces méthodes de réduction thermique donnaient plutôt comme résultat des phases mixtes de plusieurs compositions chimiques, limitant ainsi l’accès à toutes les potentialités du matériau pure, notamment sa conductivité électrique ». De plus, la poudre ainsi synthétisée est généralement compactée sous forme de pastilles, limitant grandement la taille de ces électrodes à quelques centimètres tout au plus.
« Sur le plan scientifique, les résultats de nos travaux ont permis d’apporter une contribution majeure parce qu’elle établit pour la première fois, la relation fondamentale entre la capacité d’absorbance optique des films de Ti4O7 et leur -efficacité de photoconversion. »
My Ali El Khakani, professeur spécialisé en procédés plasmas laser pour l’élaboration de matériaux nanostructurés
C’est ici que le professeur El Khakani et son équipe ont décidé d’utiliser une technique plasma appelée pulvérisation magnétron (ou plasma-RF-magnétron) pour déposer des couches minces de ce matériau sous forme de revêtements. Ce procédé de dépôt de couches minces est couramment utilisé dans l’industrie des semiconducteurs. « Le revêtement de Ti4O7 ainsi déposé (films de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur) vient changer complétement les propriétés de surface du substrat, qui par ailleurs peut être de grande taille ou de différentes natures (plaques métalliques, tranches de silicium ou plaques de verre) », précise le professeur El Khakani.
Un large champ d’application
En permettant la déposition contrôlée de films de Ti4O7 de façon sur divers substrats, les chercheurs de l’INRS pavent la voie à des retombées multiples. À juste titre, les revêtements de Ti4O7 serviront à la fabrication des anodes de haute performance pour la décontamination des eaux contenants des polluants persistants. Ce type d’électrodes résistantes à la corrosion et très conductrices sont également très recherchées pour les procédés électrochimiques utilisés pour la production d’hydrogène et d’ammoniac, deux secteurs économiques importants au Québec. Avec sa capacité de conversion photothermique exceptionnelle, ce type de revêtements est également tout indiqué pour la confection de fenêtres chauffantes intelligentes, un atout non négligeable en termes d’économie et d’efficacité énergétique.
« La possibilité de réaliser des revêtements minces photo-thermiques sur des surfaces de taille raisonnable peut s’avérer particulièrement utile pour le dessalement passif, dans des applications niches, en utilisant simplement la lumière directe du soleil sans apport externe d’autres sources d’énergie électrique comme le requiert le procédé généralement utilisé de l’osmose inverse. »
My Ali El Khakani, professeur
À propos de l’étude
Pichon, L., Rekik, H., Arab, H. et al. High photothermal conversion efficiency of RF sputtered Ti4O7 Magneli phase thin films and its linear correlation with light absorption capacity. Scientific Reports 14, 30981 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-82091-6
Ces travaux de recherche ont été rendus possibles grâce au soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), de PRIMA Québec, de Sanexen et de Rio Tinto Fer et Titane (RTIT).
