Études ex situ et in situ par rayonnement synchrotron du processus électrochimique de co-intercalation de cations métalliques (Cd2+, Ni2+, Co2+, Zn2+) dans les phases de Chevrel

Ex situ and in situ synchrotron radiation study of the electrochemical co-intercalation process of metal cations (Cd2+, Ni2+, Co2+, Zn2+) into the Chevrel phases

• Auteur / Autrice : José Barbosa
• Direction : Clotilde Boulanger, Maryline Guilloux-Viry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/10/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : François Lapicque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Lemée, Jean-Paul Chopart, Nicolas Stein, Carmelo Prestipino, Olivier Hernandez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Lemée, Jean-Paul Chopart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synchrotrons

Chalcogénures

Électrochimie

Composés d'insertion

Supraconducteurs ternaires

Mots clés libres

Phases de Chevrel

Intercalation électrochimique

Cations métalliques

CdxMo6S8

CdXMo6Se8

In situ

Synchrotron

Chevrel phases

Electrochemical intercalation

Metallic cations

CdxMo6S8

CdxMo6Se8

In situ

Synchrotron

Résumé

Les chalcogénures à clusters de Molybdène sont des structures minérales reconnues pour développer des propriétés d’accueil de cations. En effet, la remarquable mobilité des cations dans les matrices minérales construites sur les unités Mo6X8 (avec X= S, Se) des phases de Chevrel définit des systèmes redox réversibles Mo6X8 + xMn+ + xn e- <-> MxMo6X8. A côté de leurs potentialités physiques et chimiques connues, deux applications de ces réactions d’intercalation ont vu jour récemment au sein de nos équipes, en lien avec les préoccupations environnementales et de valorisation matière. Il s’agit du développement de jonction électrochimique de transfert pour la récupération sélective de cations et la mise au point de capteurs, applications validées parfaitement sur des solutions synthétiques mono-cationiques. Or pour leur développement et pour se rapprocher des cas réels, il s’avère indispensable de réaliser des études dans des solutions pluri-cationiques. Ainsi l’objectif de notre travail de thèse a été d’étudier les mécanismes d’intercalation de 4 cations métalliques (Ni2+, Cd2+, Zn2+, Co2+), représentatifs de différents effluents industriels. Une première partie s’est attachée à développer la connaissance du positionnement des processus d’intercalation mixtes de cations, contenus dans des mélanges équimolaires 0,1 M bi et tri cationiques, en mode ex situ afin d’étudier les réponses électrochimiques caractéristiques à chaque électrolyte. Cette connaissance confrontée à des contrôles structuraux et stœchiométriques permet de mieux interpréter et d’identifier les systèmes préférentiels d’insertion ainsi que le mode d’intercalation. Une seconde partie a été réalisée in situ sur grands instruments à l’ESRF afin de suivre la formation des phases au cours de l’intercalation électrochimique. Grâce à ce suivi, nous avons pu déterminer la nature des phases en présence, leur proportion (dans le cas d’un mélange), leur structure ainsi que la position exacte du cation dans la structure, notamment pour l’ion cadmium dans les phases soufrée et séléniée qui a fait l’objet d’un traitement expérimental approfondi. L’originalité de ce travail repose d’une part sur l’étude d’intercalation dans des électrolytes inédits bi et tri cationiques, d’autre part sur la détermination de structures des phases de Chevrel pas encore référencées dans la littérature (Cd2Mo6Se8). Ces résultats constituent un ensemble de données particulièrement utiles pour l’optimisation des performances des capteurs ou celle des protocoles de transferts sélectifs

Molybdenum cluster chalcogenides are mineral structures known for their cation-receiving properties. Indeed, the remarkable cations mobility in the mineral matrices built on the Mo6X8 units (with X = S, Se) of the Chevrel phases defines reversible redox systems Mo6X8 + xMn+ + xn e- <-> MxMo6X8. Regarding their physical and chemical potential, two applications using the intercalation reactions have been recently developed in our teams, in connection with environmental concerns and material recovery. More precisely the development of an electrochemical transfer junction for the selective recovery of cations and the development of sensors, which were perfectly validated on synthetic mono-cationic solutions. But for their development and to get closer to real cases, it is essential to carry out studies in multi-cationic solutions. Thus the objective of our thesis work was to study the mechanisms of intercalation of 4 metal cations (Ni2+, Cd2+, Zn2+, Co2+), representative of different industrial effluents. A first part focused on developing the knowledge of the positioning of the mixed cation intercalation processes, contained in equimolar 0.1 M bi and tri cationic mixtures, in ex situ mode in order to study the electrochemical responses characteristic of each electrolyte. This knowledge, confronted with structural and stoichiometric controls, makes it possible to better interpret and identify the preferred insertion systems as well as the intercalation mode. A second part was performed in situ on great facilities at the ESRF in order to follow phase formation during electrochemical intercalation. Thanks to this monitoring, we were able to determine the phases nature involved, their proportion (in the case of a mixture), their structure as well as the exact position of the cation in the structure, in particular for the cadmium ion in the phases sulfur and selenium which has been the subject of a thorough experimental treatment. The originality of this work rests on the one hand on the intercalation study in new electrolytes bi and tri cationic, on the other hand on the determination of structures of Chevrel phases not yet referenced in the literature (Cd2Mo6Se8). These results constitute a set of data particularly useful for the optimization of sensor performance or selective transfer protocols