| | | | | | | webmail : intra-extra| Accès VPN| Accès IST| Contact
Univ. Paris-Saclay
Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie
  Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie

Dispositif pour la synthèse de nanoparticules de type c½ur-coquille par pyrolyse laser pour les accumulateurs Li-ion.

Découvrir et maitriser de nouvelles technologies pour l'énergie (NTE) est en enjeu majeur pour diversifier notre production énergétique, optimiser la conversion ou le stockage de l'énergie, tout en gérant mieux les émissions de gaz à effet de serre (énergies "décarbonnées").

Dans ce domaine, l’IRAMIS mène des recherches sur les matériaux des nouvelles technologies de l’énergie, en s’appuyant sur ses recherches fondamentales en nanosciences, en nanochimie et en fonctionnalisation des nano-objets, incluant :

  • la production d’énergie électrique (photovoltaïque, piles à combustible, thermoélectricité) 
  • la gestion optimisée de l’énergie (photoélectrolyse de l’eau, stockage de l’énergie électrique dans des batteries ou des supercondensateurs –mais aussi stockage chimique, avec la conversion du CO2 en molécules à haute valeur ajoutée).
  • le recyclage des matériaux critiques, qui est un enjeu pour le développement des énergies nouvelles.
  • L’IRAMIS développe une activité complémentaire sur la dépollution et le recyclage des éléments rares, éléments thématiques stratégiques pour accompagner la transition énergétique.
 
#2350 - Màj : 30/07/2019
 

Le développement des nouvelles technologies pour l'énergie implique de maitriser les processus de conversion entre ses différentes formes (solaire, thermique, chimique, électrique, mécanique, ...),  ainsi que les procédés de stockage  :

L'énergie solaire peut être directement transformée en énergie électrique via les processus photovoltaïques et stockée dans des accumulateurs.  Elle peut aussi être directement transformée en énergie chimique (hydrogène) par photocatalyse. L'énergie électrique, quelque soit son origine, peut aussi être stochée sous la forme d'hydrogène, utilisable dans les piles à combustibles. Le rendement de conversion est directement lié à celui des processus électrochimiques associés (au cours de l'électrolyse ou à l'utilisation dans une pile). 

Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. Ainsi l'on peut avec l'effet Seebeck récupérer de la chaleur perdue pour produire de l'électricité. A l'inverse, il est possible en utilisant l'effet Peltier de refroidir localement un dispositif en lui appliquant un gradient de potentiel électrique. Pendant longtemps, ces effets thermoélectriques n'ont montré que des rendements très faibles et n'ont ainsi trouvé que des applications marginales. La découverte de nouveaux matériaux prometteurs, les progrès en nanofabrication et la volonté grandissante de répondre aux impératifs d'économie d'énergie ont relancé la recherche dans ce domaine.

Physiciens et chimistes de l'IRAMIS travaillent à développer et optimiser ces différentes méthodes.

Les neutrons constituent une sonde particulièrement intéressante pour étudier la structure des matériaux : ceci en particulier grâce à leur faible absorption permettant de travailler sur des pièces d'épaisseur centimétrique, et aussi grâce à la relative facilité de réaliser des expériences en conditions complexes (températures élevées, matériau sous contraintes, ...).  Les études portent principalement sur : 

  • Microstructure
  • Propriétés mécaniques
  • Vieillissement

La diffusion de neutrons permet ainsi l'étude fine des matériaux métallurgiques, dont notamment ceux entrant dans la concetion des réacteurs nucléaires. 


Neutrons are highly interesting to probe the structure of materials: due to low absorption, centimeter-thick pieces can be studied, with a relative ease of performing experiments in complex conditions (high temperatures , material under stress ...). The studies focus on:

  • Microstructure
  • Mechanical properties
  • Aging

L’IRAMIS développe des matériaux nanostructurés pour les dispositifs photovoltaïques (PV) organique ou hybride :

  • nanoparticules de silicium dopées ou non incluses dans différentes matrices,
  • molécules spécifiques aux couches d’interface de cellules PV organiques,
  • nanotubes de carbone fonctionnalisés par des chromophores,
  • nanoparticules d’oxydes TiO2 dopées ou non en azote pour les cellules solaires à colorant
  • cellules PV à base de Perovskite.

Il développe également des nanomatériaux pour :

  • les électrodes de batteries Li-ion (comme des nanoparticules de silicium recouvertes d’une coquille de carbone)
  • les générations de batteries post Li-ion (Mg-ion, Li-air…)
  • des tapis de nanotubes de carbone alignés pour des électrodes de supercondensateurs...

Une méthode spécifique de nanostructuration des polymères reposant sur l’utilisation de rayonnements ionisants (UV ou ions lourds) permet d’obtenir des membranes polymères de piles à combustible basse température radiogreffées pouvant servir d’alternative au nafion, qui est le polymère de référence.

Une autre activité de l’IRAMIS porte sur la mise au point de catalyseurs pour la réduction de l’oxygène ou l’oxydation de l’hydrogène, indispensables dans les piles à combustible. Le platine est l’élément de référence en matière d’efficacité catalytique, mais il est rare et coûteux. L’objectif est de diminuer la quantité de platine dans les catalyseurs, et même de le remplacer par des catalyseurs alternatifs sans métaux nobles, par exemple à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.


 

L’IRAMIS développe de nouveaux catalyseurs avec l'objectif de développer le stockage des énergies alternatives sous forme chimique, ou la conversion du CO2, la transformation de la biomasse,  et le recyclage des déchets polymériques, trois  sources de molécules de base pour l’industrie chimique, aujourd’hui issues de produits pétroliers.

Ceci passe par une compréhension fine des mécanismes réactionnels et des espèces réactives impliquées dans les transformations. Cette approche est principalement réalisée au Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Energie (LCMCE) du NIMBE, qui développe réactions chimiques et catalyseurs modèles, dont l’étude théorique et expérimentale permet d’élaborer des relations réactivité-structure, afin d’orienter le design de catalyseurs sélectifs et performants. Cette démarche est notamment mise à profit pour le remplacement des métaux nobles et stratégiques dans les catalyseurs actuels, par des systèmes purement organiques ou basés sur des métaux abondants, tels que le cobalt, le fer et le cuivre.

La Chimie organométallique et de coordination montre que l’interaction métal-ligand et métal-substrat est au cœur des problématiques de la catalyse et de la séparation des métaux. De nouveaux complexes métalliques à base de métaux d et d'éléments f  peuvent être exploités en catalyse de réduction de petites molécules;. Ces études, tant expérimentales que théoriques (chimie quantique, dynamique moléculaire classique et ab initio),  mènent à la conception de nouveaux édifices moléculaires réactifs.

 

Retour en haut