Nanomatériaux, Catalyse et Interfaces

Les objectifs de l'axe Nanomatériaux, Catalyse et Interfaces concernent le développement de nouveaux matériaux (allant des assemblages de quelques milliers d’atomes à des structures macroscopiques contrôlées) et de procédés (catalytiques ou non) dans les domaines aussi divers que la synthèse des carburants synthétiques à partir des intermédiaires d’origine fossile ou de ressources renouvelables, le stockage d’hydrogène ou le photovoltaïque. Ils peuvent se découper en quatre parties principales :

Depuis de nombreuses années, le groupe s’est spécialisé dans la synthèse de nanotubes et de nanofibres de carbone par CCVD (Carbon Chemical Vapour Deposition) que ce soit à l’échelle nanométrique (poudre pulvérulente) ou macroscopique (dépôt de ces nanostructures sur des supports type Feutre de carbone, mousse de carbure de silicium…avec comme finalité leur utilisation en tant que supports de catalyseurs). Plus récemment, trois nouvelles voies de synthèses de graphène ou plus exactement de Few Layer Graphene  (FLG) ont été mises au point dans le groupe, la dernière facile à mettre en œuvre consiste en un amincissement mécanique de précurseurs à base de graphite et permet d’envisager  un « scale up » facile à réaliser.

Mais le groupe s’intéresse plus particulièrement  au développement de nouveaux matériaux hybrides associant étroitement plusieurs matériaux au sein d’un composite permettant  d’améliorer des procédés existants mais aussi de défricher de nouveaux terrains encore inconnus à l’heure actuelle comme par exemple dans le développement des catalyseurs « sans métaux » plus actifs et plus sélectifs par rapport aux catalyseurs conventionnels (projet européen Freecats) . Les nanomatériaux, essentiellement à base de nanotubes de carbone (1D-CNT), sont également employés en tant que nano-réacteurs de confinement pour la synthèse des nanoparticules magnétiques à base d’oxyde (CoO et Fe₃O₄) ou de métal (Co) présentant une meilleure résistance à l’oxydation pour des applications entrant dans les domaines de l’imagerie médicale, batteries, magnétisme et catalyse. Une étude sera réalisée sur l’influence des nanoparticules d’oxyde ou de métal dans le canal du nanotube sur ces propriétés de transport individuel.

L’équipe s’est également intéressée à la synthèse par voie catalytique d’un nouveau système hybride assemblant les nanotubes de carbone (CNT) et du graphène multi-couches (FLG-few-layer graphene) prometteur pour le stockage d’hydrogène. L’objectif final d’avoir la possibilité d’ajuster la longueur des nanotubes – ou l’écartement des feuillets de graphène – pour arriver à une capacité d’adsorption optimale

Une autre thématique beaucoup plus récente consiste à synthétiser des matériaux hybrides à base de FLG et de nanoparticules d’oxydes métalliques, toujours en collaborations avec l’IPCMS DE Strasbourg : les domaines d’application cette fois sont plus orientés dans le domaine de l’énergie (batteries Li-ions, supercapacités…).  Sans oublier le photovoltaïque (collaboration avec l’Icube de Strasbourg) avec l’élaboration de film polymère associés au FLG.

Cet axe est l’axe historique du groupe qui a surtout été mondialement reconnu pour ses études sur le carbure de silicium (βSiC) que ce soit dans des réactions de désulfuration, d’hydrogénation ou encore la réaction de Fischer-Tropsch  permettant de produire des » essences synthétiques ». En dehors des avancées fondamentales, cette thématique a permis de nouer un fort  partenariat industriel toujours aussi présent. 

La synthèse de nouveaux matériaux macroscopiques à base de nanostructures carbonées  a ouvert encore un éventail plus grand d’applications dans des réactions aussi demandées que celles de l’oxydation sélective des effluents toxiques,de la déshydrogénation des hydrocarbures saturés ou de la réduction de l’oxygène dans les piles à combustible…

Depuis quelques années maintenant, l’équipe est spécialisée dans l’étude des propriétés de transport au sein de matériaux catalytiques structurés (type mousse alvéolaires, nano-filaments, nanotubes de carbones, monolithes…). Ces études sont basées sur une méthodologie (expérimentale et théorique) de caractérisation (au sens génie des procédés) de nouveaux supports catalytiques en vue de leurs optimisations dans des réacteurs industriels. Dans le cadre de l’ANR JCJC 2010 Millimatrix, l’équipe développe également de nouveaux milli-réacteurs structurés pour l’intensification des procédés comme alternatives aux micro-réacteurs.

Au sein de cette thématique, l'ensemble des connaissances et outils sont disponibles pour construire et étudier de potentiels catalyseurs solides (à l'état de poudre). La stratégie est de travailler de façon totalement interdisciplinaire en examinant pour un système, autant les paramètres-clefs de synthèse que ceux résultants des étapes de catalyse. Les différentes approches et techniques permettent d'obtenir une très bonne connaissance des systèmes catalytiques modèles, potentiels ou réels (poudres, pastilles) à partir des sciences des "surfaces modèles" jusqu'aux conditions réels (pression, température). Ces études fines permettent d'expliquer les mécanismes d'adsorption et de réaction ainsi que l'évolution du matériau sous conditions de catalyse.

Les expertises développées sont les suivantes :

• Thématiques sur l'or, ajout des autres métaux précieux, pour des  activités en catalyse (hydrogénation et oxydation)
• Thématique des supports oxydes avec des hydroxydes de surface, des solvants de dispersion inorganiques
• Etudes de nanocomposites matériaux modèles
• Synthèse contrôlée de phases actives bien définies
• Mécanismes de formation des phases actives
• Mécanismes catalytiques
• Développement d'outils d'analyses de sciences de surface  transposable à des matériaux complexes et dans des conditions réelles de catalyse
• Etude par la science des surfaces de systèmes électrochimiques en collaboration avec le groupe "Electrocatalyse".