L’équipe de recherche de l’Université Northwestern a récemment démontré un nouveau matériau de stockage d’énergie complètement différent des batteries traditionnelles : il existe sous la forme d’un liquide jaune. Après avoir été « chargé » sous l’action de la lumière visible, du courant électrique, des carburants chimiques ou des rayons X, il va spontanément s’assembler et se transformer en un hydrogel conducteur noir. Il peut stocker des électrons pendant plusieurs mois en l’absence d’oxygène et libérer ces électrons en oxygène lorsque cela est nécessaire pour fournir un pouvoir oxydant aux réactions chimiques ultérieures.
Les résultats de la recherche, publiés dans la revue Chem, sont décrits par l'équipe comme un système chimique « inspiré des cellules » capable d'intégrer la récupération d'énergie, le stockage d'énergie, le remodelage structurel et les fonctions catalytiques sur une seule plate-forme de matériaux souples. Différent du concept traditionnel des batteries lithium-ion utilisées pour alimenter les téléphones portables et autres appareils, ce matériau n'est pas une batterie électrochimique qui produit un courant stable, mais ressemble davantage à un entrepôt de matière molle qui peut à plusieurs reprises « remplir » et « libérer » de l'énergie redox chimique.
À l'état non chargé, le matériau est un liquide jaune composé de petits agrégats moléculaires globulaires ; lorsqu'elles sont exposées à des sources d'énergie telles que la lumière visible, le courant électrique, les combustibles chimiques ou les rayons X, les molécules acceptent des électrons et modifient leur structure électronique, déclenchant l'empilement et la combinaison de molécules, par le biais d'interactions π-π et la formation de « pimères » de radicaux libres, et finalement réorganisées en fibres polymères supramoléculaires à longue chaîne, permettant au liquide initialement lâche d'être reconstruit en un hydrogel noir et conducteur. Dans ce processus, « l’état chargé » lui-même est un « état d’assemblage ». Les molécules ne stockent pas passivement la charge comme les ions dans les électrodes de batterie traditionnelles, mais se réorganisent autour d'électrons supplémentaires pour construire une nouvelle structure souple, stabilisant ainsi physiquement ces électrons stockés.
Dans un environnement sans oxygène, ce gel noir peut sceller les électrons pendant longtemps. L’équipe affirme qu’elle peut maintenir un état de stockage d’énergie pendant plusieurs mois sans oxygène. Lorsque de l’énergie doit être libérée, de l’oxygène est introduit. Les molécules d'oxygène acceptent les électrons stockés dans le gel pour générer des espèces hautement réactives contenant de l'oxygène. Ces espèces réactives de l'oxygène peuvent oxyder les substrats organiques et favoriser une série de réactions redox. En d’autres termes, le matériau produit un travail redox chimique plutôt qu’un courant électrique. Ce qu’il stocke, c’est l’énergie chimique qui existe à l’intérieur du gel sous forme d’électrons supplémentaires. Une fois exposé à l’air, l’oxygène consomme ces électrons et amène le matériau à revenir progressivement à son état liquide jaune d’origine.
L'équipe de recherche considère ce système comme un modèle de « photocatalyse sombre » : dans la photocatalyse traditionnelle, la lumière doit être continuellement impliquée lorsque la réaction se produit ; dans ce travail, le matériau peut être « préchargé » à l'avance par l'énergie lumineuse ou une autre énergie, puis stocker les électrons dans un environnement sombre pendant une longue période. Lorsque cela sera nécessaire à l’avenir, ces électrons stockés pourront être utilisés pour déclencher des réactions chimiques par oxydation. Cela signifie que certains processus catalytiques induits par la lumière devraient se poursuivre en l'absence de lumière à l'avenir, offrant ainsi une nouvelle flexibilité temporelle et spatiale pour l'assainissement de l'environnement, la dégradation des polluants, la stérilisation des surfaces et une série de produits chimiques photocatalytiques.
L'équipe de l'Université Northwestern a souligné qu'il s'agit du premier exemple d'un matériau qui stocke l'énergie par « auto-reconfiguration » : la capture, le stockage et la libération de l'énergie ne dépendent plus de dispositifs d'ingénierie à structure fixe (tels que les électrodes des batteries ou les semi-conducteurs des cellules solaires), mais sont confiés à une plate-forme de matière molle qui peut modifier dynamiquement sa propre structure pendant le processus de charge et de décharge. Une fois la réaction d’oxydation terminée, l’oxygène continuera à consommer des électrons dans le gel et à le transformer progressivement en un liquide jaune. Ce processus de « réinitialisation » permet également de recharger le système et présente un potentiel de recyclage.
À l’heure actuelle, la recherche en est encore au stade conceptuel et en laboratoire. L'article a été publié par la revue "Chem". Le communiqué de presse officiel de l'Université Northwestern le positionne comme un type de matériau inspiré des cellules qui « capte l'énergie et la libère à la demande », fournissant de nouvelles idées de conception pour une exploration future dans les domaines du stockage d'énergie de longue durée, de la catalyse programmable et des applications environnementales.