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Intercalation dans les matériaux carbonés de basse dimensionnalité

Développement de nouvelles méthodes de synthèse

     

 

L’intercalation dans les matériaux carbonés, en particulier le graphite, constitue une activité spécifique de l’équipe qui marque son originalité dans le domaine des carbones. Elle s’appuie sur le caractère innovant des méthodes de synthèse développées au sein de l’équipe. C’est en effet notre équipe de recherche qui est à l’origine de la préparation d’un grand nombre de composés d’intercalation du graphite (CIG), notamment le composé LiC6 fondamental pour le fonctionnement des batteries Li-ion.

Les travaux les plus récents portent sur l’utilisation d’un métal alcalin, le lithium ou le potassium, comme vecteur d’intercalation. Une voie originale mettant en jeu des alliages à base de lithium a permis la synthèse de composés purs insérés à cœur : notamment CaC6 et Li3Ca2C6 qui sont supraconducteurs et les composés à base d’europium EuC6 et Li0.25Eu1.95C6 qui possèdent des propriétés magnétiques originales. Par ailleurs, cette méthode en milieu alliage fondu vient de permettre l’intercalation de feuillets d’or dans le graphite, élément particulièrement étudié actuellement sous forme nanométrique.

Des méthodes d’intercalation plus classiques comme par exemple l’action d’une vapeur métallique sur d’autres matériaux carbonés de basse dimensionnalité sont également employées. Elles sont en particulier appliquées avec succès aux nanotubes de carbone (NTC).

Cristallochimie des composés d'insertion du graphite

     

     

Le graphite présente une structure lamellaire très fortement anisotrope. Dans le cas de réactions d’intercalation menées sur pyrographite, la structure hautement orientée de ce dernier permet d’étudier l’organisation d’un CIG dans la direction de l’axe c à la manière d’un monocristal tandis que celle des plans perpendiculaires est étudiée comme une poudre. De plus, la structure 3D du réactif libre est systématiquement comparée à la structure 2D du réactif intercalé. Il est ainsi possible de déterminer dans quelle mesure le réseau graphitique impose sa structure à l’intercalat.

Propriétés magnétiques et supraconductivité

     

 

Les propriétés physiques des CIG dépendent avant tout de la nature de l’intercalat. Les composés CaC6 et Li3Ca2C6 deviennent supraconducteurs à des températures respectives de 11,50 K et 11,15 K, températures critiques les plus élevées répertoriées pour cette famille de matériaux. Dans le système graphite-lithium-europium, les composés EuC6 et Li0,25Eu1,95C6 présentent des propriétés magnétiques complexes et originales. La caractérisation des propriétés physiques, notamment magnétiques, des matériaux préparés est tout d’abord réalisée au sein de l’IJL. Elle vient ensuite en appui d’expérimentations plus spécifiques (spectroscopie de spin de muons, mesures électrodynamiques, spectroscopie Mössbauer …) menées en collaboration avec des équipes de physiciens spécialistes de ces domaines.

Intercalation et dispersion de nanotubes de carbone

Pour l’ensemble des structures d’accueil carbonées de basse dimensionnalité, la réaction d’intercalation s’accompagne d’un transfert  électronique entre le réactif et le matériau hôte. Ce transfert électronique est notamment mis à profit pour disperser les NTC de façon efficace, faciliter leur manipulation et aider à leur mise en forme. La dispersion ayant lieu dans le voisinage proche d’un métal alcalin, l’état de désassemblage des faisceaux renseigne sur la localisation des atomes métalliques dans le composé d’intercalation. Ainsi, il a été montré que quel que soit le métal alcalin (Na à Cs), les sites interstitiels n’étaient qu’incomplètement occupés, ce qui conduit à un phénomène de séparation partielle des nanotubes d’un même faisceau. Les nouvelles structures ramifiées de nanotubes de carbone mono-feuillets ainsi obtenues sont intéressantes puisqu’elles offrent une surface accessible supérieure à celle présentée par les faisceaux de nanotubes de départ.