Carbone et Matériaux Hybrides

Objectifs scientifiques

L’axe CMH a pour objectif d’améliorer les performances des matériaux carbonés dans les domaines du stockage et de production d’énergie et de gaz, du transport et de l’environnement. Ces finalités répondant à des problématiques environnementales, nécessitent une approche fondamentale qui consiste à :

  • Comprendre les interactions des matériaux carbonés et hybrides (nanocomposites C/métal ou C/céramique) ) avec leur environnement (gaz, liquide, solide) et sous contraintes (thermiques, mécaniques, chimiques, électrochimiques) proches des conditions d’usage,
  • Développer de nouveaux procédés et des matériaux carbonés à caractéristiques physico-chimiques parfaitement maîtrisées.

Les membres

 Luc DELMOTTE
Ingénieur de recherche
CV

 Bénédicte RETY
Ingénieure détude
CV

Joseph DENTZER
Ingénieur de recherche
CV

Dominique SCHWARTZ
Maître de conférences
CV

Roger GADIOU
Professeur
CV

Cathie VIX-GUTERL
Directrice de Recherche
Directrice de l’IS2M
CV

Camélia GHIMBEU
Chargée de recherche
Co-animatrice
CV

Jean-Marc LE MEINS
Maître de conférences
CV

Julien PARMENTIER
Maître de conférences
Co-animateur
CV

Thèmes de recherche

Matériaux carbonés mésoporeux  obtenus par synthèse verte (voie soft-template)

L. Delmotte, C. Ghimbeu, J.-M. Le Meins, J. Parmentier, C. Vix-Guterl

Le contrôle de la porosité des matériaux carbonés est un enjeu important pour de nombreuses applications. Dans le domaine des carbones mésoporeux (pores compris entre 2 et 50 nm), nous avons développé un procédé original qui permet d’obtenir directement ces matériaux par l’utilisation d’un précurseur carboné soluble et d’un tensio-actif structurant la mésoporosité (voie soft-template). L’étude des mécanismes de formation a conduit à la première synthèse verte de ce type de matériau en utilisant un précurseur carboné biosourcé non-alimentaire (le tanin). Ce composé présente de nombreux avantages : son coût modique, sa faible toxicité par rapport aux résines phénoliques habituellement utilisées et sa capacité d’autocondensation. D’autres études ont porté sur le remplacement du formaldéhyde (cancérigène) par l’acide glyoxylique lors de la préparation du précurseur carboné.

Publications

S.Schlienger, A.L. Graff, A. Celzard, J. Parmentier Green Chem. 2012, 14, 313 DOI : 10.1039/C2GC16160E

C.Matei Ghimbeu, L.Vidal, L. Delmotte, J.M. Le Meins, C. Vix-Guterl Green Chem. 2014, 16, 3079 DOI : 10.1039/C4GC00269E

F. Braghiroli, V. Fierro, J. Parmentier, A. Pasc, A. Celzard, Green Chem. 2016 18, 3265.DOI : 10.1039/C5GC02788H

Nanoparticules d’un alliage NiCo confinées dans une matrice carbonée mésoporeuse  à structure hexagonale

Reprinted with permission from [Controlled synthesis of NiCo nanoalloys embedded in ordered porous carbon by a novel soft-template strategy  C. Matei Ghimbeu, J.-M. Le Meins, C. Z.,L.Vidal,G. Schrodj,M. Latroche,C. Vix-Guterl; Carbon 2014 67 260-272] © 2016 Elsevier B.V.

Matériaux carbonés hybrides ( C/M et C/MXn, X=C, N, O, S) obtenus par la voie soft-template

C. Ghimbeu, J.-M. Le Meins, J. Parmentier, C. Vix-Guterl

La maîtrise de la voie soft-template a permis de préparer facilement une nouvelle famille de matériaux carbonés mésoporeux associant des nanoparticules (NPs) à base de métaux (M) dans leur matrice. Ces nanoparticles sont générées in-situ lors de la carbonisation du mélange précurseur carboné/tensio-actif/sel du metal et se retrouvent confinées soit dans la matrice carbonée (pour les plus grosses) ou dans la mésoporosité (pour les plus petites). La réactivité du métal avec l’atmosphere gazeuse (ex : NH3, H2S) ou le carbone de la matrice permet également d’étendre les compositions de ces NPs à la classe des céramiques ( ex : CrN, WC, WS2). L’étendue des compositions possibles est donc très vaste et accessible en une seule étape (synthèse one-pot).

Ces matériaux carbonés hybrides sont dotés d’une fonctionnalité supplémentaire liée à la présence des NPs qui jouent le rôle d’une phase active d’un point de vue électrochimique, catalytique, magnétique ou d’absorption. De plus le confinement des NPs conduit ici à des mécanismes particuliers quant à leur croissance ou leur réactivité vis-à-vis de H2. Ces matériaux sont testés dans de nombreuses applications.

Confinement de nanoparticules (NPs) dans le carbone pour le stockage de l’énergie et de gaz

 C. Ghimbeu, J-M Le Meins, J. Parmentier,  L. Vidal, C. Vix-Guterl

Afin d’augmenter la capacité électrochimiques des batteries Li-ion, un voie envisagée consiste à ajouter des nanoparticules d’une phase électro-active (ex : SnO2) dans les électrodes à base de carbone. Cependant, la capacité chute rapidement et de façon drastique lors des cycles de charge/décharge du fait de l’agglomération et la croissance en taille des particules de SnO2. L’utilisation de la voie soft-template a permis la préparation de carbone hybride C/SnO2 où les nanoparticules SnO2 sont dispersées dans la porosité du matériau carboné. Ce matériau présente alors une excellente cyclabilité (~4000 cycles) par la limitation de l’agglomération lors de cyclages charge/décharge grâce au confinement.

Performances en cyclage galvanostatique (vs. Li) de composites  avec des nanoparticules de SnO2 confinées (en bleu) et non-confinés (en rouge) dans une matrice carbonée mésoporeuse

 

Reproduced from [ Confined Ultrasmall SnO2 Particles in Micro/Mesoporous Carbon as an Extremely Long Cycle-Life Anode Material for Li-Ion Batteries; A. Jahel, C. Matei Ghimbeu, L. Monconduit, C. Vix-Guterl Advanced Energy Materials 2014 4  1400025] © 2014 John Wiley and Sons

Publications

A. Jahel, C. Ghimbeu Matei,  L. Monconduit,  C. Vix-Guterl, Adv Energ Mater 2014,  4, 1400025 DOI : 10.1002/aenm.201400025

A. Jahel, C. Ghimbeu Matei, A.  Darwiche, L. Vidal, S. Hajjar-Garreau, C. Vix-Guterl, and L. Monconduit,  J Mater Chem A 2015,  3, 11960 DOI : 10.1039/C5TA01963J

A  Martínez de Yuso, Y. Oumellal, C. Zlotea, L. Vidal, C. Matei Ghimbeu Nano-Structures & Nano-Objects 2017, 9, 1 DOI : 10.1016/j.nanoso.2016.11.001

C. Zlotea, C.Ghimbeu, Y. Oumellal, J.C. Crivello, C. Vix-Guterl, M. Latroche Nanoscale 2015, 7, 15469.

 

Etudes des interfaces dans les électrodes à base de carbone pour batteries  et supercondensateurs

J. Dentzer, R. Gadiou, C. Ghimbeu, J.-M. Le Meins, J. Parmentier, B. Rety, C. Vix-Guterl

Les batteries Li-ion et Na-ion sont formées d’une électrode négative à base de graphite dont les performances de stockage dépendent de la formation d’une interphase solide, notée SEI (Solid Electrolyte Interphase). Cette interphase est responsable de la capacité irréversible élevée du système et peut conduire in fine à l’exfoliation du graphite responsable de la dégradation de la batterie. Nos travaux se sont ainsi axés sur une étude systématique de composés graphitiques à caractéristiques physico-chimiques parfaitement contrôlées pour identifier les paramètres clés qui gouvernent la formation de la SEI. Nous avons mis en évidence, pour la première fois dans la littérature que cette capacité irréversible était favorisée par l’aire des sites actifs (ASA) ainsi que par une configuration « zig-zag » des plans de bordure graphitiques. Ces résultats ont conduit à une réelle avancée dans la compréhension des mécanismes de stockage lors du premier cycle de charge/décharge, et ouvrent la voie à l’optimisation industrielle des graphites par le contrôle de leur réactivité surfacique. Une approche similaire a été menée sur les électrodes de carbone pour les supercondensateurs.

Publications

Ph.Bernardo, J. Dentzer, R. Gadiou, W. Märkle, D.Goers, P. Novák,, M.E. Spahr, C. Vix,  Carbon 2011,  49, 4867 DOI : 10.1016/j.carbon.2011.07.007

Ph. Bernardo, , J.-M. Le Meins, L.Vidal  J. Dentzer, R. Gadiou, W. Märkle, P. Novák, M.E. Spahr, C. Vix,  Carbon 2015,  91, 458 DOI :10.1016/j.carbon.2015.05.001

G. Moussa, C. Ghimbeu, P.L. Taberna, P. Simon, C. Vix-Guterl   Carbon 2016, 105, 628 DOI : 10.1016/j.carbon.2016.05.010

Compréhension des mécanismes de conversion de la biomasse sous contraintes (thermiques, mécaniques)- Valorisation de la biomasse et soudage du bois

L. Delmotte, R. Gadiou, C. Ghimbeu, J. Parmentier, C. Vix-Guterl

Le contrôle de la porosité des matériaux carbonés est un enjeu important pour de nombreuses applications. Dans le domaine des carbones mésoporeux (pores compris entre 2 et 50 nm), nous avons développé un procédé original qui permet d’obtenir directement ces matériaux par l’utilisation d’un précurseur carboné soluble et d’un tensio-actif structurant la mésoporosité (voie soft-template). L’étude des mécanismes de formation a conduit à la première synthèse verte de ce type de matériau en utilisant un précurseur carboné biosourcé non-alimentaire (le tanin). Ce composé présente de nombreux avantages : son coût modique, sa faible toxicité par rapport aux résines phénoliques habituellement utilisées et sa capacité d’autocondensation. D’autres études ont porté sur le remplacement du formaldéhyde (cancérigène) par l’acide glyoxylique lors de la préparation du précurseur carboné.

Il s’agit ici de comprendre la conversion en carbone de la matière organique issue de la biomasse soit en milieu géologique (formation de kérogène dans les roches de schiste) ou durant un traitement thermique/mécanique et d’identifier les paramètres déterminants cette conversion. Cette approche permet

  1. de prévoir les comportements mécaniques des roches de schiste lors de leur fracturation pour en extraire du gaz,
  2. de valoriser de manière raisonnée la biomasse par traitement thermique (hydrothermal, torréfaction gazéification) pour la production d’énergie, de molécules plateformes biosourcées ou d’amendement,
  3. de comprendre les mécanismes physico-chimiques ayant lieu lors de la soudure du bois (assemblage quasi-instantané sans colle de deux pièces de bois par simple friction).

Diagramme Van Krevelen montrant l’évolution chimique des kérogènes selon leur localisation géographique et leur dégré de maturité (a). Image de microscopie à rayons-X d’un kérogène (b)


Reprinted with permission from [Realistic molecular model of kerogen’s nanostructure, C. Bousige, , C. Ghimbeu, C. Vix-Guterl, A omerantz, A. Suleimenova, G. Vaughan, G. Garbarino, M. Feygenson, C. Wildgruber, F.J. Ulm, R.-M.  Pellenq, and B. Coasne, Nature Materials 2016, 15, 576 ] Copyright © 2016, Rights Managed by Nature Publishing Group


Publications

C. Bousige,C.Ghimbeu, C. Vix-Guterl, A.E. Pomerantz, A. Suleimenova, G. Vaughan, G. Garbarino, M. Feygenson, C. Wildgruber, F.-J Ulm, R.M. Pellenq,  B Coasne, Nature Materials 2016, 15, 576 DOI : 10.1038/nmat4541

Z. Bouraoui, M Jeguirim, C Guizani,  L. Limousy, C.Dupont, R.Gadiou,  Energy 2015, 88, 703 DOI : 10.1016/j.energy.2015.05.100

H.R. Mansouri, A. Pizzi, J.M. Leban, L. Delmotte, O.Lindgren, M.Vaziri, Journal Of Adhesion Science And Technology 2011, 25, 1987 DOI : 10.1163/016942410X544794


Equipements spécifiques

Thermo-désorption programmée couplée spectromètre de masse (TPD-MS) quantitative avec piégeage cryogénique programmé

RMN Bas champ

Calorimètre à écoulement

Principales collaborations

Institut de Chimie et des Matériaux de Paris Est

Université de Strasbourg 

CIRIMAT

Collège de France

Institut Charles Gerhart 

Institut Jean-Lamour

Université Blaise Pascal

Ecole des Mines d’Albi

ENS Paris

MIT (Boston, USA)

Instituto Nacional del Carbon (Espagne)

Université de Monastir et Ecole Nationale des Ingénieurs de Gabes (Tunisie)

National Institute for Laser (Roumanie)

Université d’Ostrava (République Tchèque)

Poznan University of Technology

University of Tokyo

SAFRAN

ONET