Le chrome remplace les métaux nobles rares et coûteux

Les métaux nobles coûteux jouent souvent un rôle essentiel dans l’éclairage des écrans ou dans la conversion de l’énergie solaire en carburant. Aujourd'hui, des chimistes de l'Université de Bâleont réussi à remplacer ces éléments rares avec un métal nettement moins cher. En termes de propriétés, les nouveaux matériaux sont très similaires à ceux utilisés dans le passé.

Nous connaissons le chrome provenant d'applications quotidiennes telles que l'acier chromé dans la cuisine ou les motos chromées. Bientôt, cependant, l’élément pourrait également être trouvé sur les écrans des téléphones portables omniprésents ou utilisé pour convertir l’énergie solaire. Des chercheurs dirigés par le professeur Oliver Wenger du Département de chimie de l'Université de Bâle ont développé des composés de chrome capables de remplacer les métaux nobles, l'osmium et le ruthénium, deux éléments presque aussi rares que l'or ou le platine, dans les matériaux et catalyseurs luminescents. Dans Nature Chemistry, l’équipe rapporte que les propriétés luminescentes des nouveaux matériaux à base de chrome sont presque aussi bonnes que celles de certains composés d’osmium utilisés jusqu’à présent. Cependant, par rapport à l'osmium, le chrome est environ 20 000 fois plus abondant dans la croûte terrestre et bien moins cher.

Les nouveaux matériaux s’avèrent également être des catalyseurs efficaces pour les réactions photochimiques, y compris les processus déclenchés par l’exposition à la lumière, comme la photosynthèse. Les plantes utilisent ce processus pour convertir l’énergie du soleil en glucose riche en énergie et en d’autres substances qui servent de carburant aux processus biologiques.

Si les nouveaux composés du chrome sont irradiés avec une lampe rouge, l’énergie de la lumière peut être stockée dans des molécules qui peuvent alors servir de source d’énergie. « Ici, il existe également la possibilité d'utiliser nos nouveaux matériaux dans la photosynthèse artificielle pour produire des carburants solaires », explique Wenger.

Pour faire briller les atomes de chrome et leur permettre de convertir de l’énergie, les chercheurs les ont intégrés dans une structure moléculaire organique composée de carbone, d’azote et d’hydrogène. L’équipe a conçu cette structure organique pour qu’elle soit particulièrement rigide, afin que les atomes de chrome soient bien emballés. Cet environnement sur mesure permet de minimiser les pertes d'énergie dues aux vibrations moléculaires indésirables et d'optimiser les propriétés luminescentes et catalytiques. L’inconvénient de ces nouveaux matériaux est que le chrome nécessite une structure plus complexe que les métaux nobles – et des recherches supplémentaires seront donc nécessaires à l’avenir.

Enfermé dans sa structure organique rigide, le chrome se révèle bien plus réactif que les métaux nobles lorsqu’il est exposé à la lumière. Cela ouvre la voie à des réactions photochimiques qui seraient autrement difficiles à déclencher. Une application potentielle pourrait être la production d’ingrédients pharmaceutiques actifs.

Pendant longtemps, la recherche de matériaux durables et économiques sans métaux nobles s'est concentrée principalement sur le fer et le cuivre. D’autres groupes de recherche ont déjà obtenu des résultats prometteurs avec ces deux éléments, et le chrome a également été incorporé dans des matériaux luminescents par le passé.

Dans de nombreux cas, cependant, les propriétés luminescentes et catalytiques de ces matériaux étaient loin derrière celles des matériaux contenant des métaux nobles rares et coûteux, ne représentant donc pas une véritable alternative. Les nouveaux matériaux à base de chrome se distinguent car ils contiennent une forme de chrome particulièrement similaire aux métaux nobles, atteignant ainsi des efficacités luminescentes et catalytiques très proches de celles des matériaux contenant de tels métaux.

"Pour le moment, il semble difficile de savoir quel métal remportera la course en ce qui concerne les applications futures dans les matériaux luminescents et la photosynthèse artificielle", explique Wenger. «Ce qui est sûr, cependant, c'est que les postdoctorants Dr Narayan Sinha et Dr Christina Wegeberg ont réalisé ensemble d'importants progrès.»

Ensuite, Wenger et son groupe de recherche visent à développer leurs matériaux à plus grande échelle pour permettre des tests plus larges d'applications potentielles. En apportant des améliorations supplémentaires, ils espèrent obtenir une émission de lumière dans différentes couleurs spectrales, du bleu au vert en passant par le rouge. Ils souhaitent également optimiser davantage les propriétés catalytiques afin de nous rapprocher de la conversion de la lumière solaire en énergie chimique destinée au stockage, comme dans la photosynthèse.