Equipe Matériaux Carbonés

Résolution structurale de composés d’intercalation : exemple de composés supraconducteurs MC6

Résolution structurale de composés d’intercalation : exemple de composés supraconducteurs MC₆

Nanotubes de carbone monoparois (HiPco) ultrapurs : les impuretés métalliques et carbonées ont été éliminées par un traitement thermique mono-étape à haut rendement mettant en œuvre un mélange gazeux de dichlore et dioxygène

Mousse de graphène dopé à l’azote : catalyseur sans platine pour la réaction de réduction de l’oxygène dans la pile à combustible à membrane échangeuse de protons

Dernières publications

Tuning the porosity of hard carbons elaborated from sucrose
L Raspado, Lucie Speyer, Mickaël Bolmont, Sébastien Cahen, S Fontana, Claire Hérold
Journal of Physics and Chemistry of Solids, In press, ⟨10.1016/j.jpcs.2024.112013⟩
Influence of Date Palm-Based Biochar and Compost on Water Retention Properties of Soils with Different Sand Contents
Elie Le Guyader, Xavier Morvan, Vincent Miconnet, Béatrice Marin, Mohamed Moussa, Diego S Intrigliolo, María José Delgado-Iniesta, Pierre Girods, Sebastien Fontana, Mahtali Sbih, Belkacem Boumaraf, Aissa Tirichine, Victor Kavvadias, Maxime Gommeaux
Forests, 2024, 15 (2), pp.304. ⟨10.3390/f15020304⟩
Plasma electrolytic oxidation of aluminium in electrolytes containing various concentrations of carbon black nanoparticles
L. Magniez, C. da Silva Tousch, Sébastien Fontana, S. Cahen, J. Martin, C. Hérold, G. Henrion
Surface and Coatings Technology, 2023, 473, pp.129990. ⟨10.1016/j.surfcoat.2023.129990⟩

Présentation

L’équipe mène des recherches sur les matériaux massifs et les nanomatériaux au regard de la grande diversité des matériaux carbonés et de leur fort potentiel applicatif dans des domaines très variés. Les travaux de l’équipe portent sur :

la synthèse de nouveaux matériaux, leur caractérisation multi-échelle,
la modification de leurs propriétés par des traitements chimiques ciblés,
les applications de certains de ces matériaux, principalement dans le domaine du stockage et de la conversion de l’énergie.

L’équipe est spécialisée dans l’étude des matériaux cristallins de basse dimensionnalité : le graphite et les structures apparentées, le graphène et ses dérivés, les nanotubes de carbone, etc. Elle s’intéresse également à des matériaux carbonés plus désordonnés comme les carbones non graphitisables, les noirs de carbone, les carbones activés. Les traitements chimiques réalisés conduisent à :

de nouveaux composés d’intercalation bidimensionnels aux propriétés physiques remarquables (magnétisme, supraconductivité),
des matériaux graphéniques pulvérulents ou dispersés en milieu liquide,
des surfaces carbonées fonctionnalisées « sur mesure »,
des matériaux carbonés ultra-purs, etc.

Les matériaux sont caractérisés, avec l’appui des centres de compétences du laboratoire, par des techniques variées (diffraction des rayons X, microscopies électroniques, méthodes spectroscopiques, mesures magnétiques, etc.), souvent couplées. L’équipe s’appuie également sur un parc d’appareillages d’analyse thermique (ATG, ATG-MS, DSC sur creusets scellés) et dispose de compétences pour l’étude texturale des matériaux carbonés par adsorption de diverses molécules sondes (N₂, CO₂, Kr). Des caractérisations plus spécifiques comme, par exemple, l’analyse chimique par faisceau d’ions sur accélérateur de particules sont menées en collaboration avec des partenaires extérieurs, notamment le laboratoire NIMBE (Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie).

Mots-clés

Matériaux et nanomatériaux carbonés

Intercalation

Fonctionnalisation

Surfaces

Stockage et conversion de l’énergie

Matériaux 2D

Thématiques de recherche

Intercalation dans les matériaux carbonés de basse dimensionnalité

Cette méthode de chimie douce permet de modifier la composition, la structure et les propriétés des matériaux hôtes 2D, 1D ou 0D étudiés. L’équipe s’est spécialisée dans le développement de nouvelles méthodes de synthèse pour la préparation de composés d’intercalation du graphite originaux. Ces méthodes peuvent être adaptées aux réactions d’intercalation mettant en jeu d’autres structures hôtes. Dans le cas de matériaux massifs, la bonne connaissance de la cristallochimie des composés originaux obtenus est un véritable atout pour l’étude de leurs propriétés physiques (collaboration CNR-SPIN) : supraconductivité, anisotropie, etc. Par ailleurs, l’intercalation dans des matériaux carbonés pulvérulents permet non seulement d’obtenir de nouvelles phases, mais peut également constituer une étape vers l’élaboration de nanomatériaux par des méthodes chimiques ou physiques d’exfoliation.

Thèse :

Contrat Doctoral Université de Lorraine, 2018-2021, Inass El Hajj

Articles :

Topotactic mechanisms related to the graphene planes: chemical intercalation of electron donors into graphite, Eur. J. Inorg. Chem. 2019, 45, 4798-4806,
S. Cahen et al.
Intercalation of sodium and heavy alkali metals into graphenic foams. L. Speyer et al., Micropor. Mesopor. Mat. 2020, 306, 110344.
Original synthesis route of bulk binary superconducting graphite intercalation compounds with strontium, barium and ytterbium, New J. Chem. 2020,
S. Cahen et al.
Intercalation of barium into graphite by molten salts method: Synthesis of massive samples for crystal structure determination of BaC₆. I. El Hajj et al., Carbon 2022, 186, 431-436.

Nanomatériaux carbonés : élaboration et traitements chimiques

Les propriétés des matériaux carbonés tels que les nanotubes de carbone, le graphène ou les matériaux graphéniques dépendent fortement de leurs caractéristiques structurales et chimiques. Les recherches de l’équipe portent sur l’élaboration de nanomatériaux carbonés ainsi que sur le développement de traitements chimiques spécifiques. L’objectif est de contrôler les caractéristiques de ces matériaux à différentes échelles pour pouvoir induire les interactions souhaitées avec leur environnement. Le dopage par des hétéroatomes ou la fonctionnalisation de surface sont notamment des approches puissantes qui se doivent d’être adaptées à l’utilisation ciblée du matériau élaboré. La caractérisation multi-technique permet d’appréhender les paramètres pertinents et les mécanismes mis en jeu.

Projets :

ANR CAMFRE (2021-2025)
Projet de Maturation ExfoGraph financé par la SATT Sayens (2022-2023)

Thèse :

ANR CAMFRE, 2022-2025, Lucas Magniez (avec l’équipe 201)

Articles :

Functionalization and exfoliation of graphite with low temperature pulse plasma in distilled water. A. Létoffé et al. Phys. Chem. Chem. Phys. Physical Chemistry Chemical Physics 2022, 24, 5578-5589.
Synthesis and Characterization of Graphene-Based Inks for Spray-Coating Applications, J. Electron. Mater. 2019, 48, 5757-5770, D.S. Saidina et al.

Brevet :

Exfoliation de graphite et fonctionnalisation de graphène en phase liquide par procédé plasma. S. Cuynet, M. Ponçot, S. Fontana, A. Letoffé, T. Belmonte, G. Henrion, C. Hérold, I. Royaud, FR2020479, 2020.

Etude des surfaces carbonées

Les propriétés de surface des nanomatériaux carbonés sont d’une grande importance dans la mesure où leur surface élevée joue un rôle majeur dans leurs propriétés. L’adsorption de gaz (tels que N₂, CO₂ ou Kr), technique non destructive, est utilisée pour caractériser l’ensemble de la surface accessible d'un échantillon. Les propriétés texturales, telles que la surface spécifique, la taille des pores ou encore le volume poreux total sont analysées au moyen d’isothermes par des méthodes classiques (BET) mais aussi par la théorie de la fonctionnelle de densité (2D-NLDFT). Cette dernière permet notamment de mieux appréhender la structure poreuse d’un échantillon de charbon actif. En utilisant le krypton comme adsorbat, l’équipe s’intéresse en particulier au caractère préférentiel de la fonctionnalisation, difficile à mettre en évidence par d’autres techniques d’analyse.

Thèse :

Co-tutelle Université de Lorraine - Université d’Abomey-Calavi (Bénin), 2018-2021, Elie Sogbochi

Articles :

Energy and matter balance of process of activated carbon production from Algerian agricultural wastes: date palm rachis and jujube stones. P. Girods, et al. Biomass Conversion and Biorefinery 2021, 11, 1537-1554.
Non-covalent and covalent immobilization of Candida antarctica lipase B on chemically modified multiwalled carbon nanotubes for a green acylation process in supercritical CO₂, Catalysis Today 2019, M. C. Bourkaib et al.
Adsorption ability of activated carbons from Phoenix dactylifera rachis and Ziziphus jujube stones for the removal of commercial dye and the treatment of dyestuff wastewater, Microchemical Journal. 2019, 148, 493-502, M. Daoud et al.

Matériaux carbonés pour l’énergie

Grâce à ses compétences dans l’élaboration et le traitement de matériaux carbonés, l’équipe développe les nouveaux matériaux suivants pour leur intégration dans différents dispositifs de stockage ou de conversion d’énergie :

des carbones durs à porosité contrôlée pour les électrodes de batteries métal-ion
des mousses de graphène dopé à l’azote pour la catalyse sans platine dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Projets :

ICEEL EBNaR 2020-2022
LUE IMPACT ULHyS (2017-2020)

Thèses :

Lorraine Université d’Excellence, 2017-2020, Lilian Moumaneix
Contrat doctoral Université de Lorraine, 2021-2024, Loris Raspado

Articles :

Real-time mass spectroscopy analysis of Li-ion battery electrolyte degradation under abusive thermal conditions. B. Gaulupeau et al. Journal of Power Sources 2017, 342, 808-815.
Nitrogen-doped graphenic foam synthesized by solvothermal-based process: Effect of pyrolysis temperature on the material properties, Micropr. Mesopor. Mat. 2020, 110165, L. Moumaneix et al.
Metal-free nitrogen-doped graphenic materials as cathode catalysts for the oxygen reduction reaction in polymer electrolyte membrane fuel cells. L. Moumaneix et al. Journal of Applied Electrochemistry 2021, 51(5), 727-738.

Savoir-faire

Elaboration et traitements de matériaux :

Chimie d’intercalation (solide-solide, solide-liquide, solide-gaz)
Chimie des alcalins
Dépôts d’encres conductrices
Manipulation de matériaux très sensibles à l’air en atmosphère contrôlée (sous vide ou gaz inerte) avec des équipements dédiés : boîtes à gants et dispositifs sous vide (soufflage de verre)
Traitements thermiques sous vide jusqu’à 1500°C, sous gaz inerte jusqu’à 2800°C, sous pression d’argon jusqu’à 1000°C
Traitements thermiques sous atmosphère réactive (Cl₂, Cl₂/O₂, H₂)

Etude et caractérisation des matériaux

Caractérisations structurale et texturale : diffraction des rayons X, MET, MEB
Modélisation 1D des empilements de feuillets dans les matériaux 2D
Suivi des modifications chimiques (fonctionnalisation, dopage, purification, recuit, etc.) par spectroscopie Raman, XPS, ATG, ATG-MS
Électrochimie dédiée à l’étude des PEMFC et batteries alcalin-ion
Analyse quantitative des propriétés de surface par volumétrie d’adsorption (N₂, Kr, CO₂, etc.)