Synthèse et fonctionnalisation de nouveaux carbures de métaux de transition 2D (MXENE) : application pour l’électroCATalyse de l’oxygène
(Projet-ANR-18-CE08-0014)

Octobre 2018 - Juin 2023

Partenaire IMN du projet : Florent BOUCHER  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (IC2MP Poitiers)
Partenaires :
Institut Pprime (P' Chasseneuil-du-Poitou)
Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute température et Irradiation (CEMHTI Orléans)

Personnels IMN impliqués :
Eric GAUTRON (IE CNRS)
Florian BRETTE (Doctorant)

---

Le projet a pour objectifs principaux de (i) synthétiser, fonctionnaliser et caractériser finement de nouveaux carbures de métaux de transition 2D, appelés MXènes, et (ii) les optimiser pour être utilisés en tant que supports actifs d’électrocatalyseurs non nobles pour les réactions clés d’évolution et de réduction de l’oxygène (OER, ORR) utilisées dans des applications impliquées dans la transition énergétique (PAC, électrolyseur,…).

Les MXènes forment une nouvelle famille de matériaux 2D avec des propriétés exceptionnelles déjà reconnues dans des applications telles que le stockage et la conversion d’énergie ou le blindage électromagnétique. Ces matériaux sont obtenus par l’élimination sélective de l’élément A de précurseurs, les phases MAX. Cette famille compte plus de 70 composés, de composition chimique Mn+1AXn (n = 1 à 3) avec M = métal de transition, A = élément du groupe 13 ou 14, et X = C et/ou N. Au-delà de la possibilité de modifier la composition du MXène en jouant sur la nature de la phase MAX précurseur, le processus d’exfoliation est une étape clé permettant la fonctionnalisation de surface des feuillets de MXene par différents groupements T (F, OH ou O). Bien que ces groupements aient un rôle crucial pour de nombreuses applications, la fonctionnalisation des MXènes n’est pas encore maîtrisée en raison d’un nombre limité de processus d’exfoliation développés jusqu’alors et du besoin prégnant de protocoles de caractérisation fiables quant à la nature et la localisation de ces groupements sur les feuillets.

Dans ce contexte, notre 1er objectif est de développer des protocoles de synthèse innovants permettant de contrôler et d’optimiser la fonctionnalisation de surface des MXènes. Le corolaire à ces développements sera la mise au point d’un protocole complet de caractérisation, basé sur des études structurales (XRD, STEM, NMR) et spectroscopiques (EELS, XPS) permettant d’associer cristallographie et structure électronique. L’analyse des données recueillies se fera grâce au développement d’un volet important de simulations DFT. Un tel support théorique est en effet essentiel dans l’appréhension de ces matériaux complexes et sera utilisé pour guider les protocoles de synthèse vers le MXène le plus prometteur (en termes de composition et fonctionnalisation) pour les réactions OER et ORR. En outre, l’interdépendance entre composition de cœur des feuillets MX et fonctionnalisation de surface sera étudiée via la synthèse de solutions solides de type (Ti,M’)n+1CnTx avec M’ = Mo ou Nb (éléments potentiellement actif en catalyse) dans le but d’identifier d’éventuels effets de synergie du point de vue des applications visées.

Sur la base du 1er objectif, notre 2nd objectif est de proposer un catalyseur optimisé sans métaux nobles utilisant les MXènes fonctionnalisés comme supports actifs de Co3O4. Cet oxyde, connu pour activer les réactions visées, est capable de catalyser efficacement l’OER, l’ORR ou les 2 à faibles surtensions avec des cinétiques de transfert de charge élevées. Les performances de ces matériaux seront évaluées à partir de techniques électrochimiques classiques couplées à des caractérisations plus originales in situ et operando afin de déterminer les mécanismes réactionnels impliqués et la restructuration morphostructurale au cours des réactions, ce qui devrait guider notre choix vers les formulations de catalyseur les plus optimales.

Au-delà des applications visées, les résultats de ce projet fondamental sur la synthèse de MXenes à composition de cœur et de surface bien contrôlée ainsi que sur les caractérisations avancés de ces matériaux complexes combinant des approches expérimentales et théoriques devraient profiter à la communauté grandissante des MXènes et, in fine, aux nombreuses applications associées à ces matériaux. Ce projet devrait permettre au consortium de devenir un des leaders au niveau national et international dans le domaine des MXène, dont les perspectives sont extrêmement prometteuses