201 - Énergie

Durant la dernière décennie, les recherches ont été orientées vers les matériaux de type LiFe_1-xMn_xPO₄ en tant qu’électrode positive pour les accumulateurs au Li. L’intérêt s’est porté sur ce type de matériaux qui permettent de combiner à la fois la bonne cyclabilité et la capacité réversible élevée de LiFePO₄, au potentiel élevé de LiMnPO₄ (4,1 V vs. Li⁺/Li). Le présente travail vise à préparer des matériaux actifs LiFe_1-xMn_xPO₄ (x = 0, 0,3 , 0,5 et 0,7) par une nouvelle méthode de synthèse colloïdale et à étudier l’influence de la teneur en manganèse sur les propriétés de ces composés. La diffraction des rayons X montre qu’une calcination entre 600°C et 650°C permis de produire un composé de structure orthorhombique, pur et cristallisé. La microscopie électronique à transmission confirme la présence des nanoparticules recouvertes par une couche de carbone d’épaisseur variant entre 3 et 6 nm, contribuant à améliorer la conductivité électronique des matériaux synthétisés (de 1,4.10^-3 S cm^-1 pour LiFePO₄ jusqu’à 9,7.10^-2 S cm^-1 pour LiFe_0.3Mn_0.7PO₄). Des piles bouton de configuration LiFe_1-xMn_xPO₄/C | LiPF₆ 1 M-EC/DMC | Li ont été caractérisées. Les études voltampérométriques indiquent une bonne stabilité électrochimique de chaque matériau actif utilisé. Les mesures galvanostatique cyclées à un régime de courant C/10 présentent respectivement une capacité spécifique massique de 167, 168, 169 et 160 mAh g^-1 en fin de décharge.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à préparer et à caractériser un nouveau matériau composite à base de nanoparticules de PbS combinées à des nanotubes de carbone mono-parois (SWCNT: Single-Walled Carbon Nanotubes) en vue d’une application comme matériau actif dans une cellule photovoltaïque organique contenant le polymère conjugué poly(3-hexylthio phène-2,5-diyl) (P3HT). Le choix de PbS a été fait en raison de ses propriétés optiques et électroniques intéressantes (dont l’absorption directe dans la région IR), combinées à celles des SWCNT incluant une mobilité électronique très élevée. Le matériau PbS/SWCNT a été préparé à l’aide d’une méthode chimique originale employant l’oléylamine (OLA) comme ligand organique. L'analyse cristallographique montre que ce matériau croît dans une structure cubique à face centrée. L’analyse par MET a permis de visualiser des particules semi-sphériques ayant un diamètre d'environ 10 nm, adsorbées en surface de SWCNT. L’analyse chimique montre la présence des éléments Pb et S (PbS), et C et O (OLA et SWCNT). Les spectres UV-Vis-IR sont caractérisés par deux pics principaux à environ 1500 nm et 1650 nm associés au PbS. Les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique montrent que l’ajout de SWCNT à la composition d'un film de PbS réduit considérablement la résistance de transfert de charge. Les mesures de capacité en fonction du potentiel révèlent un comportement de type n pour le PbS et de type p pour le P3HT.

La production photocatalytique d’hydrogène à partir d’une solution aqueuse et d’un matériau semi-conducteur constitue une méthode de conversion de l’énergie solaire en énergie chimique très intéressante. Plusieurs travaux réalisés dans l’ultra-violet ont conduit à des rendements prometteurs. Le défi majeur réside dans la mise au point d’un photocatalyseur capable de fonctionner de façon efficace dans le visible, pour une meilleure utilisation de l’énergie solaire. Dans ce travail, nous avons réalisé la synthèse colloïdale du semi-conducteur CuGaS₂ en faisant réagir sous argon les composés GaCl₃ et Li₂S, dissous séparément dans le 1-methylimidazole (NMI), pour former le précurseur LiGaS₂ auquel a été ajoutée une solution de CuCl/NMI, menant à une suspension de CuGaS₂ ensuite traitée à 130 °C pendant 20 h. Un ratio Cu:Ga:S de 1:1,05:2,1 a été employé et les particules filtrées ont été recuites sous vide à 500 °C durant 2 h. L’analyse chimique confirme une composition riche en gallium avec un ratio atomique Ga/Cu de l’ordre de 1,08, suggérant un semi-conducteur de type n. La diffraction des rayons X confirme la phase chalcopyrite du matériau et révèle une taille des cristallites de l’ordre de 12 nm. La bande interdite de CuGaS₂ est une transition directe, estimée à 2,10 eV par spectroscopie UV-Visible. Des caractérisations électriques permettront de confirmer le type n et de déterminer le niveau de Fermi ainsi que la densité des porteurs de charge majoritaires du semi-conducteur.

Suite au grand intérêt porté pour la production d’éthanol et de diésel, le biobutanol est devenu l’un des combustibles renouvelables le plus étudié au cours de la dernière décennie. Le biobutanol est typiquement produit par le procédé de fermentation ABE (acétone-butanol-éthanol). Ce procédé est toutefois affecté par des coûts élevés de récupération en raison de la faible concentration finale en butanol due à l'inhibition du produit. Pour pallier ce problème et augmenter la productivité, des techniques de récupération in situ du butanol à partir du bouillon de fermentation ont été proposées. Cette présentation analyse et compare la faisabilité économique d'un procédé de fermentation ABE en continu avec et sans l'intégration d'une unité de séparation sous vide pour extraire le butanol de façon préférentielle du bouillon de fermentation. Il est montré que le procédé de fermentation intégrée est économiquement viable pour des taux d'actualisation pouvant aller jusqu'à environ 45%. L'ajout d'une unité de vaporisation sous vide rend ce procédé rentable par rapport au procédé de fermentation traditionnel analysé selon deux scénarios: (1) même volume du fermenteur et (2) taux de production de butanol constant. La valeur actualisée nette (VAN) du procédé traditionnel s’est avérée négative pour les deux scénarios alors que le procédé intégré à une unité d’évaporation sous vide montre une VAN de US$ 87.0M à la fin de 10 ans de fonctionnement sur la base d'un taux d’actualisation de 10%.

Afin de réduire l’érosion et l’agression chimique des parois de briques réfractaires par la matière en fusion au sein des réacteurs métallurgiques, on laisse croître par changement de phase solide/liquide un revêtement sur leur surface interne. Ce revêtement joue un rôle extrêmement important, car il assure l’intégrité de l’installation et prolonge sa durée de vie. De ce fait, le contrôle de celui-ci est primordial. L’environnement hostile qui règne au cœur du four interdit les mesures directes. Les sondes qu’on y plonge sont détruites. Pour remédier à ce problème, l’industriel recourt à la simulation numérique et, plus récemment, à une approche par transfert inverse.

Une analyse inverse qui permet de prédire l’épaisseur du revêtement interne dans un réacteur métallurgique est présentée. Dans le model inverse, le flux de chaleur, la résistance thermique de contact et le coefficient de convection thermique sont inconnus. Ceux-ci sont estimés à partir des mesures de température non-intrusives provenant d’un thermocouple situé dans les parois du réacteur. Ensuite l’épaisseur du revêtement protecteur est calculée en utilisant le model direct. Le model inverse repose sur l'algorithme de Levenberg-Marquardt combiné avec la méthode de Broyden. L'effet du bruit de mesure, la fréquence d’acquisition et la position de thermocouple sur les prévisions inverses est étudié. La précision et l’unicité de la solution sont également évaluées dans ce projet.