Jeudis de la chimie du solide

 Les webinaires de la division de Chimie du Solide ont lieu tous les premiers jeudis de chaque mois à 13h30.

Ces webinaires sont annoncés dans la Newsletter de la division qui est envoyée chaque mois aux affiliés de la division. Les informations nécessaires à la connexion peuvent être trouvées sur cette page web 24h à 48h avant le webinaire :

Mathieu Pasturel

Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Jeudi 4 novembre 2021

 

Chimie exploratoire de nouveaux intermétalliques à l’uranium : de composés aux propriétés physiques exotiques à des matériaux pour le nucléaire


Plus lourd des éléments naturels, l’uranium possède des propriétés chimiques et physiques fascinantes.

D’un côté, ses 92 électrons et ses orbitales 5f lui permettent d’acquérir de nombreux états de valence et une chimie et une cristallochimie très riches. L’extension radiale assez prononcée de ces orbitales lui confère un caractère intermédiaire entre les métaux de transition et les terres rares, et les électrons 5f peuvent posséder un caractère dual et itinérant [1], donnant naissance à des phénomènes physiques exotiques tels que la coexistence de ferromagnétisme et de supraconductivité [2].

D’un autre côté, le caractère fissile de l’isotope 235 en fait l’élément de base de la filière nucléaire, tant pour la production d’énergie que de neutrons ou d’isotopes pour l’imagerie médicale.

Au cours de cette présentation, je montrerai comment nos axes de recherche sur les composés intermétalliques à base d’uranium à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes s’articulent et se complètent. Nos travaux s’étendent de la recherche exploratoire de nouvelles phases jusqu’à la mise en forme de matériaux pour des applications dans le domaine du nucléaire (énergie et médical). À titre d’exemple, je montrerai comment l’étude de la réactivité de l’alliage combustible gU(Nb) avec sa matrice d’aluminium nous a conduit à la synthèse de monocristaux du composé magnétiquement frustré U6Nb4Al43 [3]. Sa structure est basée sur des atomes magnétiques d’uranium formant des doublets « isolés ». Elle s’inscrit entre des aluminures à atomes [4] et à triangles [5] d’U « isolés » (figure ci-après) et pourrait permettre de mieux comprendre l’effet de la dimensionnalité sur le comportement physique dans ces systèmes.



[1] G. Zwicknagl, P. Fulde, J. Phys.:Cond. Matter, 15 (2003) S1911.

[2] D. Aoki, K. Ishida et J. Flouquet, J. Phys. Soc. Jpn., 88 (2019) 022001 pour une revue.

[3] C. Moussa et al., J. Alloys Compd., 691 (2017) 893.

[4] R. Troć et al., Intermetallics, 107 (2019) 60 et références associées.

[5] R. Troć et al., Phys. Rev. B, 85 (2012) 064412.

ID de réunion :
Code secret :

Thierry Loiseau

Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS), Lille

Jeudi 2 décembre 2021

La chimie des matériaux de type Metal Organic Framework (MOF) et leur utilisation dans le domaine de l’énergie nucléaire

 

En deux décennies, le développement de la famille des matériaux microporeux de type Metal-Organic Framework (MOF) a connu un engouement considérable en raison de leurs innombrables applications dans des domaines aussi variés que l’adsorption et la séparation des gaz, la catalyse, médecine, etc. Ces solides cristallisés reposent sur des assemblages 3D bien définies, construits à partir de briques inorganiques reliés par des ligands organiques, délimitant un système de tunnels et/ou cavités, et pouvant offrir des porosités remarquables avec des surfaces spécifiques très élevées (jusqu’à 7000 m2.g-1).

Dans cette présentation, nous nous intéresserons au domaine particulier de l’énergie nucléaire et les potentialités offertes par les matériaux MOFs, pour leur utilisation dans ce champ d’application. Du point de vue de la nature des éléments métalliques, nous montrerons qu’il est possible d’étendre la famille des composés MOF à la dernière rangée du tableau périodique, constituée par les actinides (Th, U, …). Les propriétés des MOFs en tant qu’adsorbants, peuvent être mises à profit pour le piégeage des radionucléides, notamment ceux disséminés rapidement dans l’environnement, suite à un accident de réacteur nucléaire. Dans ce contexte, les espèces visées sont les molécules gazeuses des isotopes radioactifs de l’iode-131 ou du ruthénium-103/-106 (sous forme RuO4). L’emploi de composés MOFs modèles (par ex : UiO-66) est particulièrement efficace pour la capture de ces éléments volatils. Dans le cas de l’iode, nous montrerons l’importance de la fonctionnalisation du ligand organique espaceur et l’évolution chimique au sein de la matrice poreuse dans la famille des UiO-n. Le dernier aspect concernera les études de la résistance des solides MOFs dans les conditions drastiques d’un environnement nucléarisé, soumis à des irradiations intenses. L’effet du rayonnement gamma sur la structure des MOFs sera ainsi exploré.     

Précédents invités

 


Benjamin Abecassis

Laboratoire de Chimie, ENS de Lyon

Jeudi 7 octobre 2021

 

 

 

Les nanoplaquettes colloïdales sont des nanoparticules 2D recouvertes d’une monocouche de tensionactifs. Elles présentent des propriétés optiques originales en raison de leur épaisseur controlée à la couche atomique près. Je présenterai nos recherches récentes sur la synthèse et les mécanismes de formation de ces objets. Je montrerai également qu’il est possible de les assembler dans des structures supra-particulaires au sein desquelles des échanges de type FRET ont lieu. Enfin, je montrerai que ces plaquettes peuvent adopter différentes formes comme des cylindres ou des hélices et discuterai ce polymorphisme dans le cadre de la mécanique des plaques minces.

Valérie Keller

Institut de Chimie et des Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), Strasbourg

Jeudi 2 septembre 2021

 

 

 

Connaitre intimement le matériau développé pour optimiser ses propriétés à l’électrode positive de batteries Métal-ion

Bien que les propriétés de photoconversion de certains oxydes semi-conducteurs, comme TiO2, aient déjà été mis en évidence il y a plus de 4 décennies, certaines limitations ont restreint jusqu’à présent ce domaine d’étude à l’échelle du laboratoire, en raison des rendements encore trop limités qui ont freiné l’extension des procédés associés. Les deux challenges majeurs, afin de permettre à ces procédés de devenir viables, sont (i) l’augmentation du rendement de photoconversion, qui consiste à pouvoir utiliser de manière plus efficace les photons et (ii) l’utilisation directe de la lumière solaire, plus précisément des longueurs d’ondes du spectre visible. Pourtant, les avancés réalisées dans le domaine de la compréhension, de la caractérisation fine, du contrôle de la synthèse des nanomatériaux, ainsi que du génie des photo-réacteurs ont permis de surmonter certains de ces verrous pour arriver à des objets d’un niveau de maturation plus élevé, permettant d’envisager une intégration dans des dispositifs utilisés de manière efficace dans les domaines de l’énergie, de la santé et de l’environnement.

Ainsi, pour ce faire, parmi les principales stratégies mises en œuvre, nous pouvons relever :

  • le dopage (cationique, anionique, co-dopage) de semi-conducteurs à grande bande interdite,
  • la synthèse de semi-conducteurs à bande interdite plus faible,
  • le couplage intime entre semi-conducteurs, dont l’un possède une bande interdite faible (photosensibilisation dans le visible et formation d’hétérojonctions) pour une meilleure utilisation du spectre solaire et une meilleure séparation des charges,
  • le dépôt de nanoparticules (bi-)métalliques induisant des effets co-catalytiques et/ou plasmoniques de surface,
  • les différentes morphologies (1D, 2D, 3D) et assemblages de semi-conducteurs,
  • les améliorations de surface spécifique et de la porosité,
  • l’association avec des adsorbants
  • les combinaisons de ces différentes approches

Parmi ces différentes voies d’optimisation des matériaux photocatalytiques, quelques stratégies seront abordées et différents exemples seront donnés et discutés pour la production de carburants solaires (production d’H2, réduction du CO2), et pour la dépollution et décontamination de l’air et des surfaces.


Laurence Croguennec

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)

Jeudi 1er juillet 2021

 

 

 

Connaitre intimement le matériau développé pour optimiser ses propriétés à l’électrode positive de batteries Métal-ion

Après une introduction sur les recherches menées plus largement dans le groupe « Energie : Matériaux et Batteries » de l’ICMCB pour le développement de nouveaux matériaux pour le stockage électrochimique de l’énergie, nous montrerons à travers quelques exemples que les propriétés (potentiel redox, réversibilité, rapidité de charge et de décharge etc.) des matériaux d’électrode positives pour batteries peuvent être modulées en jouant notamment sur leur compositions anioniques et cationiques et sur leur structure cristalline. Nous illustrerons comment une approche de chimiste du solide permet de proposer des composés nouveaux, et d’identifier des mécanismes électrochimiques originaux afin de développer des matériaux optimisés pour les batteries. En effet, les réactions d’intercalation et de désintercalation d’ions (Li+, Na+, …) mises en jeu dans les générateurs électrochimiques ont le plus souvent lieu à des températures modérées, dans des conditions hors équilibre thermodynamique propices à l’obtention de phases métastables. La résolution de l’ensemble des problèmes inhérents au fonctionnement d’une électrode nécessite bien sûr la caractérisation fine du matériau initial qui, bien qu’étant absolument indispensable, ne constitue en fait que la première étape. En effet, lors des réactions d’intercalation / désintercalation, des modifications structurales, électroniques, texturales et de surface, parfois irréversibles, peuvent se produire et altérer les performances du matériau et donc du système électrochimique. L’intime connaissance de tous ces processus est essentielle à la compréhension et à l’optimisation d’un système et requiert notamment de développer des expériences aux grands instruments, in situ et/ou operando, en diffraction et spectroscopie d’absorption des rayons X et en diffraction des neutrons.

 


Jean Daou

 

Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M)

 

Jeudi 3 juin 2021

 

Mise en Forme de Zéolithes pour le Piégeage de Composés Organiques Volatils

 

La contamination moléculaire en orbite est l’une des problématiques majeures rencontrée par les acteurs du domaine spatial.1 En effet, lorsque les satellites sont en orbite, les molécules organiques contenues dans les peintures, adhésifs ou encore les colles utilisés dans la conception des satellites peuvent dégazer et ainsi former des films ou des gouttelettes en se déposant sur les surfaces sensibles comme les instruments optiques et électroniques ou encore les surfaces de contrôle thermique ce qui a pour conséquence d’endommager ces équipements. Parmi les matériaux poreux testés pour l’adsorption de ces polluants organiques, les zéolithes se sont avérées être les plus efficaces de par leur capacité à piéger ces molécules présentes à de très faibles concentrations dans les conditions spatiales.2 La synthèse des zéolithes conduisant généralement à des poudres qui seraient elles-mêmes source de contamination particulaire, une mise en forme de ces zéolithes (films, pastilles, billes, peintures) est donc nécessaire.3-5 Nous avons montré en collaboration avec l’Agence spatiale française (CNES) que ces objets zéolithiques pouvaient être utilisés avec succès pour adsorber les composés organiques volatils dans les satellites, notamment avec une pastille de zéolithe piégeant les polluants au sein de l’instrument ChemCam embarqué sur le robot Curiosity envoyé sur la planète Mars (figure 1).3-5

 

1. J.L. Perry, NASA Technical Memorandum, 1995, 108497, 4-9.
2. I. Deroche, T.J. Daou, C. Picard, B. Coasne, Nature Communications, 2019, 10(1), 4642.
3. M. Diboune, H. Nouali, M. Soulard, J. Patarin, G. Rioland, D. Faye, T.J. Daou, Microporous Mesoporous Mater., 2020, 307, 110478.
4. G. Rioland, T.J. Daou, D. Faye, J. Patarin, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 221, 167-174.
5- J. Patarin, T.J. Daou, G. Rioland, D. Faye, Porous zeolite-based materials as adsorbent for molecular decontamination, 2016, WO2016120407A1; FR3031915A1, 2017, EP3250318A1; 2018, FR3031915B1.

 



Danielle Laurencin

Institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM)

6 mai 2021

L’oxygène… un élément dont on a encore beaucoup à apprendre

L’oxygène est présent dans la majorité des molécules et matériaux qui nous entourent. Afin de mieux comprendre la structure et réactivité de différents systèmes, il y a donc un réel intérêt à pouvoir sonder le voisinage local de cet élément, afin d’identifier les liaisons dans lesquelles il est impliqué.
La RMN de l’oxygène-17 apparaît naturellement comme la technique de choix. Cependant, c’est une technique très peu sensible, l’abondance naturelle de l’oxygène-17 n’étant que de 0.04%. Ceci implique que dans la majorité des cas, l’enrichissement isotopique en 1-yO est nécessaire avant de pouvoir procéder à des analyses haute résolution. Or, les protocoles d’enrichissement étaient jusqu’à récemment peu attractifs, du fait de leur coût très élevé (généralement plusieurs centaines d’euros par synthèse), leur durée (pouvant atteindre plusieurs semaines), et/ou la nature des réactions mises en jeu (impliquant l’utilisation de réactifs ou de dispositifs expérimentaux délicats à manipuler).
Dans ce contexte, nous avons récemment orienté nos recherches vers le développement de voies d’enrichissement alternatives basées sur la mécanochimie. Nous montrerons ici comment l’utilisation de cette technique de synthèse permet d’enrichir en oxygène-17 une variété de composés organiques et inorganiques d’intérêt, de manière simple, rapide, et peu onéreuse. De plus, nous montrerons comment grâce à cet enrichissement, il devient désormais possible de sonder par RMN le voisinage des atomes d’oxygène situés à la surface et aux interfaces de (nano)matériaux, et ainsi accéder à des informations structurales inédites.


Vincent Hardy

Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux (CRISMAT)

1er avril 2021

La transition «État de spin / État de valence» dans les oxydes de cobalt

Un type de transition très particulier est observé dans une classe de perovskites de cobat, impliquant une modification d’états de spin et de valence, ainsi qu’un changement structural, mais sans mise en ordre magnétique. Je présenterai une approche phénoménologique de cette transition, en se basant sur des caractérisations physiques et l’analyse des paramètres cristallochimiques. Un modèle thermodynamique sera ensuite proposé, et la compétition entre cette transition et le ferromagnétisme sera analysée dans la série (Pr1-ySmy)0.7Ca0.3CoO3.


Mathieu Allix

Laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (CEMHTI)

4 mars 2021

Nouveaux matériaux hors-équilibre par cristallisation du verre ou du liquide fondu

La cristallisation à partir du verre ou du liquide à haute température est une voie de synthèse originale permettant l’élaboration de nouvelles phases cristallines hors-équilibre.

Le contrôle (partiel) des phénomènes de nucléation et de croissance, au moyen de traitements thermiques et de compositions adaptées, permet ainsi de synthétiser des matériaux originaux non accessibles par réaction solide classique. Ces matériaux innovants montrent fréquemment des phénomènes d’ordre et de désordre (micro)structuraux. L’utilisation couplée de techniques de caractérisation telles que la diffraction, la microscopie électronique et la spectroscopie RMN permet alors une description fine et multi-échelle ouvrant la voie vers la compréhension et la maitrise de certaines propriétés observées.