L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

Translate this page in english

Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Edition 2013


GENESIS


Green synthesis of nanoalloys confined into porous scaffolds

GENESIS
Green synthesis of nanoalloys confined into porous scaffolds

Synthèse et caractérisation des composites innovants contenant des nanoparticules bimétalliques insérées dans une matrice poreuse obtenue selon les principes de la «chimie verte«.
Les principaux objectifs du projet GENESIS sont:
1) La synthèse des nouveaux composites à base des nanoalliages de métaux de transition confinés dans les pores des différents carbones poreux par deux méthodes: directe et indirecte. Les carbones sont éco-conçus à partir des précurseurs respectueux de environnement dans des conditions de synthèse douces. Les pores des carbones accueillent les nanoparticules d'alliage afin d'empêcher leur coalescence. Les méthodes de synthèse nécessitent un effort important d'optimisation des conditions 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 ou composites finals.
2) La caractérisation physico-chimique des composites ou carbones poreux. Les propriétés structurale, nanostructurales et chimiques des composites sont déterminées. Les propriétés des composites préparés par les deux méthodes sont comparées.
3) L'étude des propriétés de sorption de N2 et H2 des composites. Pour la sorption de H2 nous disposons de deux méthodes: solide-gaz et électrochimique. Le but est de mettre en évidence des éventuelles effets de taille sur la cinétique et la thermodynamique de la réaction nanoalliage - hydrogène.
4) Réaliser une étude par simulations Monte-Carlo/ReaxFF/nano-Calphad des composites ou carbones poreux. Une reconstruction au niveau atomique de la structure ordonnée des différents carbones poreux est proposée. Les différentes diagrammes de phase bimétalliques ou métal-hydrogène à l'échelle nano seront également calculés.

Synthèse et caractérisation des composites par voies directe et indirecte.
- Méthodes de synthèse par voies directe et indirecte: optimisation de la synthèse afin d’obtenir des nanoalliages dans des systèmes binaires immiscibles (ex, Pd-Rh, Pd-Pt...), contrôle de la taille des nanoalliages par la composition chimique et la température du traitement thermique.
- Caractérisations des propriétés physico-chimiques: structure cristalline des nanoparticules bimétalliques, propriétés magnétiques.
- Détermination des propriétés d'absorption d’hydrogène à 300 K et l'adsorption de l'azote à 77 K.
- Mise en évidence des effets de taille et de composition chimique: comparaison avec les matériaux macro-cristallins (massifs).

Résultats

Tout d'abord, nous avons déterminé les conditions de synthèse par voies directe et indirecte et les propriétés physico-chimiques des composites monométalliques à base de Rh, Pt, Pd, Ni et Co.
Les propriétés structurales, nanostructurales et magnétiques des différentes composite à base de Co synthétisés par une nouvelle voie de synthèse directe assisté par laser ont été étudiées. Cette étude a fait l'objet d'une publication commune dans Nanoscale en 2015.
Des composites à base des nanoparticules de Rh dans un carbone poreux ont été synthétisés par voie indirecte avec des tailles comprises entre 1.3 et 3.0 nm. A l'état massif, Rh peut absorber l'hydrogène à la température ambiante seulement sous très haute pression (4 GPa). Par contre, à l'état nanométrique, nous avons démontré, pour la première fois, la formation d'un hydrure de Rh à température et pression ambiantes (Figure). Nos résultats ont été publiés dans Nano Letters en 2015.
Les autres composites monométalliques à base de Pt, Pd et Ni sont actuellement en cours d'étude.
Ensuite, des composites contenant des nanoalliages Pd-Co ont été également préparés par voies directe et indirecte. Les propriétés fondamentales (structurales, texturales et nanostructurales) et de sorption d'hydrogène à l'ambiante ont été déterminées. Un double effet de la taille et de la composition chimique des nanoalliages a été clairement démontré sur la capacité de sorption d'hydrogène. Nos résultats ont montré que la substitution du Pd par Co diminue la capacité d'absorption d'hydrogène, en accord avec des calcules DFT. Un manuscrit sur l'étude comparative des composites élaborés par voie directe et indirecte a été accepté pour publication dans Nanoscale. Un autre manuscrit sur l'optimisation des conditions de synthèse directe des composites Pd-Co et les propriétés de sorption d'hydrogène à haute pression et température ambiante a été soumis pour publication.

Perspectives

Nous allons continuer l'optimisation des synthèses directe et indirecte afin d'obtenir des nanoalliages Pd-Rh, Pd-Ni et Pd-Pt de taille et composition contrôlées. Une optimisation de la voie directe par une approche micro-onde qui diminue considérablement le temps de synthèse est envisagée. La détermination des propriétés fondamentales et de sorption d'hydrogène/azote sera effectuée.
Pour ces composites, nous allons mener une étude comparative entre la synthèse par voie directe et indirecte et les conséquences sur les propriétés de sorption d'hydrogène.
L’optimisation des supports carbonés en utilisant de précurseurs respectueux de l’environnent est également un objectif des prochains travaux de collaboration. Une étude de compréhension de l’influence des caractéristiques du carbone (porosité, structure et chimie de surface) sur la taille et la distribution des particules métalliques sera réalisée.

Productions scientifiques et brevets

3 articles publiés/acceptés:
1. C. Matei Ghimbeu, M. Sopronyi, F. Sima, L. Delmotte, C. Voulot, C. Zlotea, V. Paul-Boncour et J-M. Le Meins, One-pot laser-assisted synthesis of porous carbon with embedded magnetic cobalt nanoparticles, Nanoscale,7 (2015) 10111-10122, (http://dx.doi.org/10.1039/C5NR01687H)
2. C. Zlotea, Y. Oumellal, M. Msakni, J. Bourgon, S. Bastide, C. Cachet-Vivier et M. Latroche, First evidence of Rh nano-hydride formation at low pressure, Nano Letters 15 (2015) 4752–4757 (http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01766)
3. C. Zlotea, C. Matei Ghimbeu, Y. Oumellal, J-C. Crivello, C. Vix-Guterl et M. Latroche, Hydrogen sorption properties of Pd-Co nanoalloys embedded into mesoporous carbons, accepté pour publication dans Nanoscale (2015)

Partenaires

CNRS ICMPE INSTITUT DE CHIMIE ET DES MATERIAUX PARIS-EST

CNRS IS2M Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

CNRS-MIT MSE Multi-Scale Materials Science for Energy and Environment

Aide de l'ANR 389 987 euros
Début et durée du projet scientifique mars 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

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.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2013

Référence projet : ANR-13-BS08-0004

Coordinateur du projet :
Madame Claudia Zlotea (INSTITUT DE CHIMIE ET DES MATERIAUX PARIS-EST)
claudia.zlotea@nullicmpe.cnrs.Fr

Site internet du projet : http://genesis.cnrs.fr/

 

Revenir à la page précédente

 

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.