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Green synthesis of nanoalloys confined into porous scaffolds – GENESIS

GENESIS

Synthèse des nanoalliages confinés dans une matrice poreuse éco-conçue<br /><br />Le projet GENESIS est un projet de recherche fondamentale coordonné par Claudia Zlotea de l'ICMPE-CNRS (Thiais). Il associe deux autres partenaires : le laboratoire IS2M (Mulhouse) et l'unité mixte internationale CNRS-MIT MSE2 (Boston). Le projet a commencé en Mars 2014 est a duré 42 mois. Il a bénéficié d'une aide ANR de 390 k€ pour un coût global de l'ordre de 1855 k€.

Synthèse et caractérisation des composites innovants contenant des nanoparticules bimétalliques insérées dans une matrice poreuse obtenue selon les principes de la «chimie verte«.

Des nouveaux nanomatériaux multifonctionnels sont actuellement recherchés afin d’exploiter leur potentialités dans une large gamme d’applications. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet GENESIS dont les principaux objectifs sont la synthèse et la caractérisation des composites à base des nanoalliages de métaux de transition confinés dans les pores de carbones poreux. Les carbones poreux sont éco-conçus à partir des précurseurs «verts« dans des conditions de synthèse douces. Les pores des carbones servent à accueillir les nanoparticules d'alliage afin d'empêcher leur coalescence. Le but du projet est d’explorer des éventuels effets de taille/composition/localisation des nanoparticules sur les propriétés physiques (magnétiques...) et la réaction nanoalliage - hydrogène. La diminution de la taille des nanoalliages améliore fortement la cinétique d’absorption/désorption et change parfois la thermodynamique de la réaction avec l’hydrogène. Différentes méthodes de modélisation ont été appliquées afin de mieux comprendre les effets de taille. En plus des applications pour le stockage d’hydrogène ou magnétisme, ces nanomatériaux peuvent également être utilisés dans le domaine de la catalyse.

Un effort important d'optimisation des conditions de synthèse a été nécessaire afin de contrôler la composition chimique, la structure et la distribution de taille des nanoparticules d'alliages ainsi que les propriétés texturales des carbones hôtes. Le but est d’obtenir des nanoalliages confinés dans les pores/parois de carbones avec une taille et composition contrôlées. Nous avons utilisé les méthodes de synthèse directe (les nanoalliages et le carbone sont obtenus en une étape) et indirecte (les nanoalliages sont formés dans les pores du carbone préparé préalablement). La deuxième méthode permet un meilleur control de la taille des nanoalliages, comprise entre 1 et 6 nm.
Les propriétés texturales, structurales et nanostructurales des composites sont caractérisés. Leur interaction avec l’hydrogène a été étudiée par deux méthodes (solide-gaz et électrochimique) au laboratoire. Des études d’absorption des rayons X in situ au synchrotron ont permis une meilleur compréhension de l’interaction entre l’hydrogène et les nanoalliages. Ainsi, une localisation préférentielle des atomes d'hydrogène autour des atomes de Pd a été remarquée dans les nanoalliages à base de Pd.

Les faits marquants sont la réalisation et la caractérisation des nanoalliages avec une composition chimique et une distribution de taille contrôlées supportés/confinées dans un carbone poreux éco-conçu.
C'est remarquable la formation des nanoalliages métastables dans de diagrammes binaires immiscibles (Pd-Rh, Pd-Ir, Pd-Pt).
Un autre fait marquant est la découverte que certains métaux à l'état nanométrique (Rh, Ir) peuvent absorber des quantités importantes d'hydrogène à pression et température ambiantes, contrairement aux mêmes métaux massifs qui absorbent uniquement sous très haute pression.

Les résultats du projet apportent des avancées importantes dans la synthèse des nanocomposites multi-composants ainsi que dans l'élucidation des effets d'échelle nanométrique sur les propriétés de sorption d'hydrogène des nanoalliages à base de métaux nobles. C'est pourquoi, nous pensons que les communautés scientifiques du stockage solide d'hydrogène et de la catalyse seront directement impactées par les conclusions issues du projet.
Les perspectives ouvertes par ce projet sont donc nombreuses et se sont déjà concrétisées par des nouvelles collaborations (internes au sein des laboratoires individuels ou externes) dans le stockage solide d'hydrogène et la catalyse de réactions d'hydrogénation ou pour la formation de liaisons C-C (Suzuki-Miyaura).

Ce projet a été très fructueux et a permis la publication de 15 articles dans des journaux internationaux spécialisés dans la synthèse/caractérisation des nanomatériaux (le soutien de l’ANR est cité). Sur la période du projet, nous avons publié 3 articles scientifiques en 2015, 5 en 2016 et 7 en 2017. En plus des 15 publications déjà parues, un manuscrit a été récemment soumis (Y. Oumellal et al.) et quatre autres sont en préparation. Les résultats ont été disséminés dans 25 communications (orales et par affiches) dans des conférences internationales et nationales.

L’objectif principal de ce projet est de développer les connaissances fondamentales en sciences des matériaux en s’intéressant à des hybrides multi-composants possédant un large spectre d’applications. Parmi les nombreux matériaux hybrides existants, ce projet propose la synthèse et la caractérisation de nano-alliages insérés dans la nanoporosité de différentes structures hôtes à base de carbone en s’appuyant sur le concept de « chimie verte ». L’utilisation de ce type d’hybrides est encore inexplorée dans le domaine des énergies propres (conversion et stockage électrochimique, réactions solide-gaz) bien que les composants individuels de ces hybrides, les nano-alliages (à base de métaux de transition 3d et de métaux nobles) et les carbones poreux à haute surface spécifique montrent des propriétés très prometteuses dans ce domaine. Leur combinaison à l’échelle nanométrique est une nouvelle approche qui devrait conduire à la découverte des matériaux très innovants. De plus, ces hybrides pourront avoir des applications dans d’autres domaines que les énergies renouvelables tels que la catalyse ou la biomédecine. Cette large palette d’applications est due aux propriétés de synergie intéressantes des nano-alliages et ces hybrides seront capables dans un futur proche de répondre aux besoins de l’industrie en matière des nanomatériaux innovants.
Un effort considérable du projet sera dédié à la préparation de ces hybrides innovants contenant des nanoparticules bimétalliques insérées dans la porosité des matrices carbonées en appliquant les concepts de la « chimie verte ». Le principal défi réside dans le contrôle des propriétés texturales de la matrice carbonée ainsi que la composition chimique et la distribution de tailles des nano-alliages. Une fois la synthèse maîtrisée, la caractérisation systématique des hybrides sera réalisée. Les propriétés fondamentales et les interactions mises en jeux dans les applications visées telles que, les réactions solide-gaz et électrochimiques, seront déterminées. Des caractérisations approfondies seront menées à l’aide des grands instruments (neutrons, synchrotron, etc). Enfin, des simulations numériques seront effectuées afin de mener une approche prédictive pour définir les meilleures compositions chimiques et texturales pour ces hybrides.
A notre connaissance, ce type de projet est le premier à adresser simultanément deux principaux problèmes environnementaux : la diminution de la pollution chimique grâce à l’utilisation de méthodes de synthèse éco-conçues et la réduction des émissions des gaz à effet de serre grâce au développement des matériaux pour des applications dans le domaine des énergies propres.
La collaboration proposée se base sur la participation de deux laboratoires français Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE), Institut de Science des Matériaux De Mulhouse (IS2M) ainsi qu’une unité mixte internationale CNRS-MIT Multi-Scale Materials Science for Energy and Environment (MSE). Ce consortium apportera les compétences complémentaires qui sont nécessaires à assurer le succès et le bon déroulement du projet. Les résultats obtenus dans ce projet impacteront un large domaine d’applications.

Coordination du projet

Claudia ZLOTEA (INSTITUT DE CHIMIE ET DES MATERIAUX PARIS-EST) – claudia.zlotea@icmpe.cnrs.Fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS IS2M Institut de Science des Matériaux de Mulhouse
CNRS-MIT MSE Multi-Scale Materials Science for Energy and Environment
CNRS ICMPE INSTITUT DE CHIMIE ET DES MATERIAUX PARIS-EST

Aide de l'ANR 389 987 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2014 - 42 Mois

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