Le labex solstice

Titre : Matériaux à taux de graphène élevé à partir de biomasse et biodéchets par traitements thermiques

Co-Directeurs de thèse : Ange Nzihou (RAPSODEE CNRS-IMT Mines Albi) et Gilles Flamant (PROMES CNRS) Co-encadrement : Elsa Weiss (RAPSODEE CNRS-IMT Mines Albi)
Localisation : Albi (RAPSODEE) et Font Romeu (PROMES)
Financement : Labex SOLSTICE (ANR-Investissement d’Avenir)

Date de Commencement : Octobre 2021 Ecole Doctorale : MEGEP (Toulouse)

Le graphène est un matériau bidimensionnel de l’épaisseur d’un atome de carbone. C’est un matériau léger, flexible, avec d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques et une très bonne conductivité électrique. Ces propriétés en font un matériau d’avenir pour des applications dans les domaines des batteries, du stockage de l’énergie, des capteurs pour la mesure des polluants, des circuits intégrés et aussi les tissus vivants.

Le graphène est présent dans la nature, mais seulement de manière combinée. En effet les feuillets graphéniques sont organisés ou orientés aléatoirement pour former respectivement du graphite ou des structures turbostratiques, telles que les nanotubes de carbone, les fibres de carbone ou le noir de carbone. Selon la longueur et l’orientation des feuillets, ces matériaux peuvent développer de très bonnes propriétés électriques, mécaniques et thermiques.

Actuellement le graphène peut être produit par croissance epitaxiale à la surface du carbure de Silicium, exfoliation du graphite ou de nanotubes de carbone pour isoler chaque feuillet graphénique, ou bien par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour contrôler l’épaisseur du monofeuillet. Dans tous les cas, les procédés sont coûteux et à fort impact environnemental (origine fossile du carbone).

Le laboratoire RAPSODEE travaille depuis 15 ans sur la production de matériaux carbonés à propriétés contrôlées à partir de biomasse et de biodéchets en utilisant des procédés thermochimiques (pyrolyse, gazéification). Plusieurs de ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire PROMES sur les aspect pyro-gazéification par voie solaire. Nous avons acquis une expertise reconnue sur la caractérisation de ces structures. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de produire des matériaux graphéniques biosourcés à partir de ressources renouvelables (à plus faible impact environnemental), pour des applications dans le domaine de l’énergie et du contrôle de la pollution principalement. Pour cela, plusieurs procédés seront comparés. la carbonization hydrothermale, la pyrogazéification conventionnelle et la pyrogazéification par voie solaire. Les travaux sur pyrogazéification solaire à haute température seront réalisés au four solaire de Font Romeu (PROMES CNRS). Une collaboration avec un laboratoire aux USA est envisagée.

Les enjeux scientifiques principaux de la thèse sont :

• -  Comprendre les mécanismes de formation et de croissance du graphène dans les conditions étudiées
• -  Comprendre et identifier les paramètres influençant la formation de graphène
• -  Mettre en évidence le lien entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques, électriques et thermiquesdes feuillets obtenus et le procédé de production.
• -  Développer des méthodes innovantes pour la séparation des feuillets de graphène
• -  Modéliser la croissance des phases graphéniques

Profil recherché :
Titulaire d’un Master 2 ou diplome d’ingénieur en génie des procédés ou génie énergétique, avec idéalement une première expérience dans la conversion thermochimique de la biomasse et des déchets ou sur les matériaux carbonés. Des compétences sur la caractérisation des matériaux carbonés serait un plus.

Contacts :
Ange Nzihou (ange.nzihou_at_mines-albi.fr), Gilles Flamant (gilles.flamant_at_promes.cnrs.fr), Elsa Weiss (elsa.weiss_at_mines-albi.fr)