NIMBE

Nanosciences et Innovation
pour les Matériaux
la Biomédecine
et l'Énergie

Dans le projet de thèse nous souhaitons mettre à profit nos avancées récentes en impression 3D combinée au développement de systèmes intégrés dynamiques en résonance magnétique nucléaire pour étudier par RMN des systèmes en fonctionnement et réaliser des expériences in situ ou operando. Nous souhaitons appliquer ces développements selon un axe de recherche important du domaine de l’énergie : l’identification et l’étude des migrations de différentes espèces moléculaires générées lors du fonctionnement d’une batterie à flux redox organique (RFBO).



Pour cela il sera nécessaire de construire une mini batterie qui puisse être intégrée au sein d’un aimant classique de RMN. Le flux de chacun des compartiments sera géré au moyen de notre approche de mini-pompe à bulle breveté. Ici la modularité de notre système nous permettra à faible coût de suivre par spectroscopie et imagerie différentes espèces moléculaires en plusieurs positions de la batterie. Les composants et la géométrie seront adaptés aux cellules d'écoulement organique, le but principal étant de comprendre et d'analyser le mécanisme de dégradation et les produits de la molécule redox (dérivés anthraquinones) sur le cycle redox.



Les travaux demandés au doctorant iront d'une forte implication dans la conception de la mini-batterie, à sa construction et aux études de résonance magnétique. Dans ce domaine, des protocoles dédiés et des séquences nouvelles, utilisant à la fois les techniques spectroscopiques et d'IRM récentes, devront être développés.

Un grand nombre de processus chimiques sont complexes, et nécessitent pour leur optimisation de comprendre les mécanismes réactionnels par l'observation en temps réel des composés intermédiaires et des produits finaux. La RMN peut s'acquitter de cette tâche, mais cela nécessite de prendre en compte plusieurs aspects : pallier le manque de sensibilité intrinsèque à la technique, rapprocher le plus possible la zone de détection du réacteur de synthèse et pouvoir quantifier précisément les données obtenues.



Récemment les chercheurs du LSDRM ont inventé et breveté un dispositif de RMN imprimé en 3D basé sur une mini pompe à bulles associée à de la fluidique et une micro-détection, installable sur une sonde commerciale à l'intérieur de l'aimant RMN. Une version d'insert branché sur une sonde de micro-imagerie et une version utilisant un couplage inductif entre la micro-bobine et la bobine commerciale ont été développées.



Le système permet une amélioration significative du signal RMN pour les noyaux relaxant lentement, puisque les constituants du mélange réactionnel sont situés dans un champ magnétique proche de celui de l'étude RMN, permettant ainsi une pré-polarisation de l’ensemble de la solution. De plus, grâce au mouvement contrôlé du flux, entre deux scans les spins frais remplacent ceux précédemment excités dans la région de détection ; il n'est donc pas nécessaire d'attendre plusieurs fois le temps de relaxation.



S’appuyant sur les compétences de la société CortecNet dans la synthèse de molécules enrichies aux isotopes stables, et du LSDRM, laboratoire de recherche reconnu pour son savoir-faire dans la création de dispositifs innovants destinés à l’amélioration de l’outil RMN, l’objectif de ce projet de recherche consiste à développer un dispositif complet de suivi RMN, in situ, de synthèses chimiques afin de fournir aux chimistes organiciens un instrument de mesure indispensable dans leurs activités quotidiennes.

Les batteries métal-oxygène apparaissent ces dernières années comme une alternative possible aux batteries Li-ion. En particulier, l’intérêt pour les batteries lithium ou sodium-oxygène (M-O2) provient de leur potentielle forte densité d'énergie théorique. Cependant, de nombreux verrous restent à lever et de nombreux efforts à fournir pour comprendre les mécanismes sous-jacents dans les batteries M-O2. L'élucidation des processus électrochimiques de décharge et de leurs produits (MO2 ou M2O2), et de la réactivité de l'électrolyte, est cruciale. L'objectif de la thèse est d'étudier les réactions électrochimiques et chimiques dans les batteries M-O2 au cours du cyclage en temps réel en utilisant la spectroscopie NMR à l'état solide in situ. La thèse consistera à (1) optimiser l’installation de spectroscopie NMR à l’état solide in situ au LSDRM développée récemment pour l'étude des batteries métal-O2; (2) comprendre les mécanismes réactionnels dans les systèmes M-O2; et (3) explorer de nouvelles voies pour améliorer les performances de la batterie au LEEL.