Mélanges de sels fondus vers des nanomatériaux avancés – MOLTEN

Ce projet TREMPLIN a pour objectif de soutenir une prochaine soumission à l'European Research Council d'un projet ERC Consolidator favorablement évalué en 2016. L'objectif est d'obtenir une preuve de concept validant la faisabilité de l'approche innovante proposée. Le résumé ERC de ce projet dont l'acronyme était MOLTEN est le suivant :

Le projet MOLTEN vise à l’émergence d’une méthodologie de synthèse qui permettra d’élargir considérablement la gamme de composés accessibles sous forme de nanoparticules, qui est très restreinte comparée à la diversité des matériaux massifs atteignables par des méthodes de synthèses usuelles.

Le projet se focalise sur des phases inorganiques à base de l’élément bore, dont les quelques matériaux massifs connus suggèrent que leur obtention sous forme de nanoparticules ouvrira de nouvelles voies pour la conversion de l’énergie. Leur synthèse actuelle doit être effectuée à haute température au-delà de 1000°C, ce qui entraîne une forte croissance cristalline. Ainsi, ces composés ne sont pas répertoriés à l’échelle nanométrique.

Afin de synthétiser ces nanoparticules, il est impératif d’avoir accès à des états métastables inaccessibles par les procédés connus. Ainsi, le projet MOLTEN s’appuie sur les synthèses en phase liquide en proposant 3 avancées majeures basées sur l’utilisation de mélanges de sels comme milieux réactionnels : des mélanges de sels inorganiques pour la synthèse à 300-1000°C et des mélanges de sels inorganiques et organiques en-dessous de 300°C :

1) L’exploration de températures jusqu’à 1000°C en liquides est un domaine vierge de la synthèse colloïdale. Ces liquides vont permettre d’abaisser les températures de synthèse comparées aux procédés classiques de la synthèse par voie solide. Ainsi, les conditions de synthèse seront particulièrement favorables à la découverte de nouveaux composés métastables;

2) La découverte d’un nouveau paramètre de synthèse colloïdale spécifique des mélanges de sels : la composition du mélange. Celle-ci permettra d’ajuster la solubilité de précurseurs de synthèse jusqu’ici impossibles à solubiliser. Il sera aussi possible d’effectuer des synthèses dans des milieux bi-phasiques afin d’orienter la croissance des particules;

3) Le développement de nouvelles stratégies pour assurer des vitesses de formation du solide élevées et une croissance cristalline maîtrisée : le chauffage micro-ondes à hautes températures et la trempe ultra-rapide des milieux réactionnels.

La première partie du programme de travail (WP1) est focalisées sur les composes bore-carbone-phosphore avec des structures denses, dont les quelques composes macroscopiques connus suggèrent une variété considérable de matériaux encore non répertoriés.

WP2 porte sur des structures ouvertes à base de bore et de silicium, y compris des clathrates aux compositions et structures encore non répertoriées.

WP3 traite de la caractérisation avancée de ces matériaux, puis de leurs nouvelles propriétés dans le cadre de la conversion thermoélectrique de l’énergie pour le recyclage des pertes de chaleurs, et dans celui de la photo-électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène.

WP4 sera le siège de l’exploration des mécanismes de formation du solide dans ces nouvelles synthèses, grâce à l’étude des diagrammes de phase des solvants et des investigations in situ.

La stratégie pour le TREMPLIN est de focaliser les efforts de synthèse sur un type de matériaux et une application bien précise à fort impact potentiel : les composés clathrates à base de silicium pour des applications en conversion thermique-électrique de l'énergie, afin de recycler les pertes de chaleur, donc de baisser notre consommation d'énergie et de préserver l'environnement. Ainsi, une première preuve-de-concept de la nouvelle approche de synthèse sera apportée, et l'expérience du porteur sur la chimie des nanomatériaux à base de silicium sera établie.