Missions

Bien que le graphène ait été synthétisé pour la première fois en 2004, la commercialisation du procédé est confrontée à certains défis attribués notamment au faible rendement et au coût de production élevé. Ces problèmes pourraient être résolus en utilisant la biomasse et les biodéchets comme précurseurs pour la synthèse du graphène. Étant donné l'abondance de la biomasse, en particulier les biodéchets, et l’urgence face à la gestion des déchets, la transformation de ces ressources en un produit à valeur ajoutée tel que le graphène représente une voie durable et prometteuse.
La synthèse du graphène à partir de la biomasse est un challenge en raison du faible degré de graphitisation. Par conséquent, des catalyseurs métalliques tels que le fer et le calcium ont été utilisés pour améliorer le processus de graphitisation. Jusqu'à présent, des progrès significatifs ont été réalisés pour la graphitisation de la cellulose, un matériau dit « non-graphitisable ». Bien que des progrès substantiels aient été réalisés dans la synthèse du graphène à partir de matériaux non conventionnels, des progrès sont nécessaires pour comprendre les mécanismes de formation des systèmes graphène aérogel/xérogel-métal, les paramètres contrôlant le processus et l'optimisation du procédé en fonction des applications visées. Un autre défi majeur concerne la source d'énergie nécessaire à la graphitisation. Le chauffage conventionnel pendant la graphitisation catalytique a été bien expliquée dans des articles récents. Ce travail explorera l'impact sur la graphitisation par une source solaire concentrée et d'une source à haute densité énergétique par comparaison avec un chauffage conventionnel.
Pour améliorer les performances du graphène synthétisé dans les domaines d'application visés, deux structures distinctes de graphène 3D, les aérogels et les xérogels, seront étudiées. Notamment, l'impact de la technique de séchage sur la structure des pores du gel sera étudié.
Ainsi, l'objectif principal de cette étude est de synthétiser, caractériser et utiliser des aérogels/xérogels de graphène-métal produits à partir de biomasse et de biodéchets, par graphitisation conventionnelle et solaire. Les applications visées concernent les domaines de l'énergie et de la dépollution, avec un accent particulier sur la séquestration du CO2 et le stockage de l'hydrogène.

Activités

Les verrous scientifiques du projet sont :
• Comprendre les paramètres contrôlant la formation des systèmes aérogel/xérogel de carbone-métal en fonction des conditions opératoires et des matières premières sélectionnées, et décrire le mécanisme de formation de l'aérogel.
• Mettre en évidence la relation entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques, électriques et thermiques et le procédé de production (conventionnel et solaire).
• Modéliser et optimiser avec précision la nano et la macro structure du système aérogel/xérogel-métal en fonction des domaines d'application donnés.
• Utiliser la modélisation dynamique moléculaire pour déterminer les énergies d'activation et les énergies totales associées à l'ajout d'atomes de carbone sur différentes surfaces/interfaces métalliques et carbonés (carbone amorphe et graphitique). À l'échelle atomique, les surfaces énergétiques de la phase intermétallique ainsi que leurs changements structurels en fonction des températures de carbonisation seront modélisées par des simulations « Ab-initio Molecular Dynamics » (AIMD) basées sur la « Density Functional Theory » (DFT) afin de prédire avec certitude les propriétés de l'aérogel.

Compétences

Le candidat doit être titulaire d'un doctorat en génie des procédés ou en science des matériaux, ou en chimie ou en physique, et posséder une solide expérience de caractérisation des solides, en particulier des matériaux à base de carbone. Une expérience dans certaines des techniques suivantes, XRD, XPS, TGA, FTIR, sorption de N2, SEM-EDS, HR-TEM, spectroscopie Raman, Synchrotron, et en modélisation sera très appréciée.

Contexte de travail

Le candidat travaillera au Centre RAPSODEE à IMT Mines Albi pour la production de matériaux utilisant le chauffage conventionnel, et pour leur caractérisation. La carbonisation solaire assistée sera effectuée au laboratoire PROMES (Odeillo). Des visites seront programmées à l'université de Princeton (USA) pour effectuer et analyser les données du issues du Synchrotron. Le travail de modélisation sera effectué en collaboration entre les trois laboratoires concernés.