203 - Matériaux fonctionnels pour le développement durable - CQMF

Les batteries sont au cœur de débats politiques, scientifiques, économiques et sociétaux,
notre avenir proche sera conditionné par ces technologies de stockage de l’énergie. Cependant,
au cœur des batteries, la chimie de nouveaux matériaux reste le débat scientifique central.
Parallèlement, l’intelligence artificielle connaît un essor fulgurant et s’intègre progressivement
dans de nombreux domaines scientifiques. Son usage robuste et responsable en chimie des
matériaux reste encore à définir, mais elle offre des perspectives prometteuses.
Dans cette présentation, après avoir situé la constitution des batteries Lithium-ion et de
la chimie des matériaux associée, nous explorerons deux axes d’intégration de l’Intelligence
Artificielle dans le domaine des batteries. D’une part, l’exploitation des algorithmes
d’apprentissage pour interpréter et comprendre les signaux électrochimiques, permettant
d’élucider les mécanismes réactionnels complexes. D’autre part, l’accélération de la
découverte de nouveaux matériaux en s’appuyant sur des modèles prédictifs et des approches
génératives.
L’objectif est de discuter des opportunités et des défis de cette synergie entre
intelligence artificielle et électrochimie des matériaux, et de poser les bases d’une approche
plus rationnelle et rapide pour le développement des batteries de demain.

Le développement des dispositifs de stockage est de plus en plus recherché dans le domaine d’énergies renouvelables. L’objectif ici est de trouver une alternative plus écologique afin de remplacer la cathode dans les batteries lithium-ion. À cette fin, les polymères conducteurs sont ciblés pour confectionner un matériau composite idéal qui est à la fois conducteur ionique, électronique et rédox actif. Le poly (3,4- ethylènedioxythiophène) (PEDOT) est l’un des polymères conjugués à succès les plus étudiés. Il possède une conductivité électronique élevée (400-600 S cm-1) ainsi qu’une bonne stabilité à l’état oxydé. PEDOT étant insoluble lorsqu’il est dopé avec des cations simples, il peut être polymérisé en présence de l’acide polystyrène sulfonique (PSS) dans l’eau, afin de former un polymère en suspension facile à manipuler. Cependant, PEDOT : PSS ne possède qu’une faible capacité de stockage d’énergie. Afin d’augmenter la capacité, ce projet de recherche vise à substituer une partie des ions sulfonate par une autre unité qui contribue avec une réaction redox. Il est attendu qu’une telle substitution pourrait avoir un impact sur la conductivité. Donc, une première étude présentée ici, focalise sur la dilution de l’unité sulfonate du polyanion par une unité inerte et son impact sur la conductivité ionique et électronique dans le système polymérique de PEDOT : PSS.

Les cellules solaires à pérovskite (PSC) suscitent un intérêt croissant en raison de leur efficacité de conversion de puissance (PCE). Toutefois, la plupart des dispositifs à haut rendement reposent sur un dépôt par enduction centrifuge dans des environnements contrôlés, limitant ainsi leur mise à l’échelle industrielle. Il est donc essentiel de développer des stratégies de fabrication en air ambiant tout en améliorant la stabilité des dispositifs. Le mélange d’halogénures constitue une approche éprouvée pour ajuster la structure et les propriétés des pérovskites. Comparé à CszFA1−zPbX3 (X = Cl, Br, I), le composé CszFA1−zPbX3-yIy (X = Cl, Br) présente des différences notables en termes de cristallinité et de comportement optoélectronique. Cependant, la coexistence de pérovskites mixtes avec la phase photoinactive FAPbI₃ peut entraîner un piégeage ionique, compromettant la reproductibilité. Cette étude explore l’impact des chlorures cationiques sur les performances des PSC à l’aide d’une méthode de pré-cristallisation sous vide. Nos résultats montrent que la liaison du chlore dans le précurseur cationique influence fortement la stabilité et l’efficacité du dispositif. L’incorporation modérée de CsCl et de KSCN dans les encres précurseurs favorise la formation de films lisses et compacts avec des grains de grande taille. La combinaison de ces précurseurs a permis d’obtenir des PSC planaires avec une PCE élevée de 18,1 %.

Les nanoparticules dopées aux lanthanides (NPs-Ln) présentent une opportunité brillante pour des applications biomédicales. Leurs capacités en conversion ascendante et conversion descendante sous excitation de la lumière proche-infrarouge (PIR) les rendent désirables pour l’incorporation dans des bio-sondes. Synthétisées par une méthode de chimie verte (décomposition thermale assistée par micro-ondes); les NPs-Ln ont été préparées de façon rapide et permettent l’obtention relativement facile d’architectures noyau-coquille(s). Afin de rendre les NPs-Ln biocompatibles, l’optimisation d’une procédure de revêtement avec une couche de silice (SiO₂) a été entreprise. La couche de silice permet une versatilité significative pour la fonctionnalisation de surface avec des molécules de ciblage et ouvre la possibilité pour des applications dans la fenêtre de transparence biologique (1 000-2 000 nm). Des architectures noyau-coquille et noyau-coquille-coquille dopées avec Ln³⁺ ont été recouvertes de silice (NPs-Ln@SiO₂) et excitées à 980 nm et 808 nm, respectivement. De plus, des aptamères (APTA) ont été fixés à la surface afin de cibler une bactérie d'intérêt de l’axe intestin-cerveau. Les conjuguées NPs-Ln@SiO₂@APTA ont été confirmées à l’aide de méthodes optiques et analytiques. Ces résultats mettent en évidence des candidats NPs-Ln@SiO₂@APTA qui maintiennent l’émission PIR dans l’eau avec capacités de ciblage, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour la (bio)imagerie PIR.

Le renforcement du transport de charge induit par l'ingénierie des défauts est une approche efficace pour optimiser les propriétés de photoélectrolyse de l'eau (PEC) de l'anode de photoélectrode en oxyde de tungstène (WO₃). Dans cette étude, une méthode modifiée et efficace de post-traitement électrochimique a été développée afin d'enrichir les lacunes en oxygène dans des nanofeuilles de WO₃ hautement ordonnées, formant ainsi une photoanode de WO₃ déficiente en oxygène
Les tests électrochimiques et l'analyse de la structure des bandes d'énergie ont révélé que les lacunes en oxygène introduites, agissant comme des donneurs peu profonds, augmentent significativement la densité globale des porteurs de charge, la conductivité électrique et le champ électrique interne (courbure de bande). Cela contribue ainsi à l'amélioration de la séparation des charges dans le volume et de l'efficacité d'injection des charges à l'interface (dépassant 80 % à 1 VR H E​).
En conséquence, la photoanode optimisée WO₃-Re démontre une réponse photoélectrochimique considérablement améliorée, avec une densité de photocourant maximale de 0,8 mA/cm² à 1,23 VR H E​, soit une
Ce travail apporte des informations précieuses sur le rôle des lacunes en oxygène dans la dynamique des porteurs de charge au sein de la photoanode WO₃ et propose également une stratégie d'ingénierie des défauts pratique et viable pour optimiser les photoanodes, favorisant ainsi une oxydation de l'eau.

Les pérovskites halogénées ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs propriétés
optoélectroniques, qui peuvent être facilement modifiées en fonction de leur composition. Nous
sommes intéressés par la composition de CsPbBr3 en particulier qui présente une stabilité
importante combiné avec une bande interdite bien placée pour effectuer des réactions
photoélectrocatalytiques telles que le dégagement de l’oxygène ou hydrogène ainsi que la
réduction de dioxyde de carbone. Une étape importante de leur avancement réside dans le
développement de méthodes de préparation à grande échelle.
Ce travail explore la méthode d’électrodéposition de PbO2 suivie de deux étapes de conversion
chimique pour synthétiser le CsPbBr3. L’influence de deux intermédiaires distincts, PbBr2 et
PbCl2, est comparée afin d’évaluer leur impact sur la qualité finale du CsPbBr3. La diffraction
des rayons X (DRX) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont été utilisées pour
analyser les transformations structurelles et morphologiques au cours de la conversion de PbO2
en PbCl2 et PbBr2, ainsi que leur évolution ultérieure vers la structure pérovskite CsPbBr3. Les
analyses montrent que la conversion de PbO2 en CsPbBr3 via l'intermédiaire PbCl2 permet
d'obtenir une pérovskite avec une couverture de surface optimisée, ce qui se traduit par un
photocourant plus élevé lors des évaluations photoélectrochimiques.

La nécessité urgente de sources d’énergie renouvelables et l’augmentation des émissions de CO2 ont renforcé les efforts pour développer des stratégies efficaces d’utilisation du dioxyde de carbone. La conversion du CO2 en
produits chimiques et carburants de valeur apparaît comme une solution prometteuse pour réduire l’empreinte carbone et favoriser une utilisation durable. Parmi les catalyseurs étudiés, le cuivre (Cu) se distingue par sa capacité à convertir électrochimiquement le CO2 en hydrocarbures. De plus, la résonance plasmonique
des nanoparticules de Cu améliore leurs performances sous lumière visible. Dans ce travail, nous visons à développer des nanostructures de cuivre optimisées, capables d’absorber efficacement la lumière et de générer des porteurs de charge énergétiques, améliorant ainsi les processus électrocatalytiques et formant un catalyseur hybride plasmonique-électrochimique. Des nanoparticules plasmoniques de cuivre ont été synthétisées sous différentes morphologies pour évaluer leur performance catalytique. Une caractérisation approfondie par MEB, DRX et BET a permis d’analyser leur structure et leur surface. Les performances électrochimiques ont été évaluées, avec une analyse des produits liquides par RMN et des produits gazeux par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats montrent que la morphologie des nanoparticules influence significativement l’efficacité et la sélectivité de la réduction du CO2.

La pollution de l'eau par des insecticides représente un risque majeur pour les écosystèmes, les pollinisateurs et la santé humaine. Dans cette étude, un hydroxyde double lamellaire modifié par du palmitate de sodium (CaAl-PS LDH) a été synthétisé par la méthode de coprécipitation et évalué comme adsorbant pour l’élimination du carbaryl
de l’eau. Ce matériau est composé de Ca et d'Al dans les lamelles principales, avec du palmitate de sodium comme anion interlamellaire. Cette combinaison de cations et d’un surfactant naturel de qualité alimentaire garantit une compatibilité environnementale et réduit les risques de toxicité. L’adsorbant a été caractérisé par diffractométrie à rayons X, microscopie électronique à balayage, spectroscopie à dispersion d'énergie et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Une organisation structurale du CaAl- PS-LDH, incluant une orientation possible des anions de palmitate de sodium dans la structure adsorbante, a été proposée. L’hydroxyde double lamellaire modifié a démontré une capacité d'adsorption supérieure, atteignant 15,99 mg g−1, contre 1,83 mg g−1 pour l’hydroxyde inorganique. Les effets du pH, de la température, de la concentration initiale en pesticide et de la dose d’adsorbant sur l'adsorption du carbaryl par le CaAl-PS-LDH ont également été étudiés. Les résultats suggèrent que le CaAl-PS-LDH constitue une option sûre et efficace pour des applications en traitement de l’eau.

Avec l’augmentation des déchets électroniques, la récupération de l’or suscite un intérêt
croissant. Les réseaux organiques covalents (COFs) covalent organic frameworks (COFs) ou les
structures organiques microporeusesx (MON), une nouvelle classe de matériaux microporeux,
présentent des avantages remarquables pour la récupération de l’or (Au) grâce à leur grande
surface spécifique, leurs groupes fonctionnels sélectifs, leurs canaux réguliers et leur synthèse
modulable. Dans cette étude, un MON à base de thiophène a été synthétisé en utilisant le 1,8-
dibromobenzo(b,d)thiophène et le 1,4-diéthynylbenzène pour des applications de récupération de
l’or. Le matériau MON obtenu a été caractérisé à l’aide de diverses techniques, notamment la
diffraction des rayons X sur poudre (PXRD), la méthode de Brunauer-Emmett-Teller (BET), la
microscopie électronique en transmission (TEM), la microscopie électronique à balayage (MEB)
et la spectroscopie photoélectronique X (XPS). Le Fe 3 O 4 @MON a montré une excellente
capacité d’adsorption de l’or, avec une grande sélectivité et une cinétique rapide. Ses
performances surpassent celles de nombreux COFs aux structures plus complexes et dotées de
multiples groupes fonctionnels. Ces résultats mettent en évidence le potentiel du Fe 3 O 4 @MON
pour une récupération pratique de l’or à partir des déchets électroniques.

De nos jours, le lithium est un élément essentiel pour l’industrie des batteries. Le lithium
est abondant dans les eaux salines et elles peuvent représenter un approvisionnement
durable de cet élément; cependant, la capture de cet élément par des processus
d’adsorption est entravée par des concentrations élevées d’ions compétiteurs qui se
trouvent dans ces eaux. La récupération sélective du lithium des eaux salines avec un
matériau à tamis ionique synthétisé à partir d’un matériau d’oxyde de lithium à base de
titane (LTO) est le sujet principal de cette étude. Du LTO commercial et du LTO qui a
été délithié pour former une structure à tamis ionique en mesure de distinguer le lithium
des ions compétiteurs ont été utilisés afin de tester la capacité d’adsorption du lithium.
Différents matériaux de LTO délithiés (ou HTO) ont été produits en exposant la poudre
de LTO à de l’acide chlorhydrique pour différents intervalles de temps dans le but
d’identifier les propriétés optimales du matériau pour l’adsorption sélective. Afin d’établir
une relation entre le degré de délithiation et la capacité d’adsorption dans les eaux
salines, ces matériaux ont été caractérisés et par la suite évalués au niveau de leur
performance pour l’adsorption du lithium. Il est possible d’envisager le développement
de nouveaux adsorbants sélectifs pour la capture du lithium avec ces résultats.