Chimie minérale et nanomatériaux
L'activité du groupe GDP en chimie minérale et nanomatériaux reprend celle du groupe SCPI de l'École des Mines de Paris que l'ENSTA a hébergé pendant une douzaine d'années. Cette activité est consacrée à la synthèse de matériaux par chimie douce en privilégiant la précipitation en solution aqueuse, c'est-à-dire la formation de phase solide à partir d'espèces en solution fortement sursaturée. Plus précisément, les phases solides sont des particules, de quelques nanomètres à plusieurs microns de diamètre (ou dimension caractéristique) selon les études, le plus souvent des hydroxydes ou des oxydes (éventuellement des sulfures) obtenus par réaction des cations correspondants avec une base.
Les éléments concernés, di, téri ou tétravalents sont très nombreux et rien qu'au laboratoire les (hydr)oxydes de Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Hf et Ce ont fait l'objet d'études, sans oublier les mixtes ou les dopés...
En général l'objectif des études est d'obtenir des objets calibrés en taille et morphologie, et de composition contrôlée en cas de dopage, pour des applications variées détaillées plus loin. Les caractéristiques des particules dépendent fortement de la valeur et des variations de la sursaturation que nous pilotons par le contrôle de grandeurs physicochimiques (pH, T, complexants...) et par le procédé (double jet, précipitation homogène...). Souvent on ne précipite pas directement les particules souhaitées, mais un précurseur solide (amorphe par exemple) qui cristallise. Dans ce cas les conditions de précipitation de l'amorphe et les conditions de cristallisation ont un impact sur la nature et les caractéristiques des particules finales. Parfois la cristallisation est très rapide, mais parfois on peut isoler un amorphe (ou un précurseur cristallisé métastable) relativement stable. On découple alors totalement les deux étapes de précipitation et cristallisation et on peut choisir librement les conditions expérimentales pour chacune d'elle.
Les travaux les plus remarquables du laboratoire ont reposé sur cette stratégie : même à partir de précurseurs très simples en solution aqueuse, il est parfois possible d'obtenir des particules très originales avec un bon contrôle de leur taille et morphologie. Les avantages évidents des méthodes du laboratoire résident dans leur robustesse, leur simplicité de mise en œuvre, leur coût minime (y compris environnemental), sans oublier bien sûr leur adaptabilité directe à l'échelle industrielle.
Les applications concernées sont très variées et ont fait l'objet de collaborations académiques et industrielles depuis une vingtaine d'années : particules pour la catalyse, la photocatalyse ou la photoproduction d'hydrogène, pour les batteries, nanoparticules précurseurs de céramiques (thermoélectriques, piles à combustible, ferroélectriques), particules photochromiques pour les cosmétiques, nanoparticules absorbeurs de RX pour la nanomédecine, matériaux pour la captation du lithium... Ces développements se sont accompagnés de préoccupations relatives à la toxicité des nanoparticules et à leur métrologie, notamment par le biais de collaborations étroites avec le Centre Ingénierie des Biomatériaux et des Particules Inhalées (BioPI) des Mines de Saint-Étienne et le LNE.
Les sujets du laboratoire couplent les aspects matériaux et les aspects procédés. Les particules synthétisées sont principalement des hydroxydes et des oxydes métalliques par précipitation d'amorphe suivie de cristallisation, par précipitation en double-jet à pH contrôlé ou par précipitation homogène déclenchée par chauffage. Le rôle du pH sur les caractéristiques des particules (taille, morphologie, cristallinité) dans la précipitation en double-jet de boehmite fibrillaire, d'oxyde de zinc avec une transition de morphologie non étoilée à étoilée en moins d'une unité de pH sous contrôle strict, d'hydroxyde de nickel a été plus particulièrement étudié.
La stratégie de découplage de précipitation d'amorphe suivie de cristallisation a été mise à profit dans la synthèse de nanoparticules de boehmite de cristallinité variable, de germanate d'hafnium ou de dioxyde de titane. La précipitation homogène par chauffage s'est déclinée en trois variantes : synthèse d'hydroxycarbonates d'yttrium ou de magnésium par décomposition de l'urée, déstabilisation d'amminocomplexes (nickel, cobalt), thermohydrolyse (dioxyde de titane, dioxyde d'étain).
Partenariats et projets :
Les travaux du laboratoire sont très fréquemment effectués dans le cadre de collaboration directe avec des industriels ou au sein de consortiums dans des projets ANR ou européens.
- Projets ANR — tâches de l'équipe :
- SYTCOM — synthèse de nanothermites : enrobage de particules d'aluminium par des nanoparticules d'oxydes métalliques.
- FERROENERGY — préparation de suspensions colloïdales ferroélectriques pour la conversion d'énergie.
- PARTOX — synthèse/caractérisation/catalogue de nanoparticules à façon en vue d'études de toxicité.
- ONE — nanostructuration d'hydroxyde de nickel pour batteries.
- TECTONIC — élaboration de particules coprécipitées comme précurseurs de céramiques de type conducteurs protoniques.
- POCANA — synthèse de particules de boehmite enrobées de silice en vue d'utilisation comme charges dans le polycarbonate.
- Projets FP7 :
- PHOTOMEM (Photocatalytic and membrane technology process for olive oil mill waste water treatment) — synthèse de photocatalyseurs supportés par des particules magnétiques.
- IDEAL CELL (Innovative Dual mEmbrAne fuel Cell) — synthèse de particules d'oxyde de cérium et cérates de baryum dopés pour élaborer les céramiques de ce nouveau concept de pile à combustible.
Principaux partenaires académiques :
- Paris Sorbonne Université — Laboratoire de réactivité des surfaces (synthèse de catalyseurs).
- École des Mines de Saint-Étienne (nanotoxicité).
- LNE (nanométrologie).
- Centre PERSÉE (thématique TiO2 et plus généralement nanomatériaux pour l'énergie) de Mines ParisTech.
- CEMEF de Mines ParisTech.
- Centre des Matériaux (IDEAL CELL, TECTONIC, PARTOX + activité TiO2 et dérivés) de Mines ParisTech.
- IMT Mines Alès (POCANA).
- Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB) (hydroxyde de nickel, inter Carnot ONE).
Principaux partenaires industriels :
