Le design de (nano)composites céramiques dérivés de polymères comme catalyseurs

Design of polymer-derived ceramic (nano)composites as catalysts

• Auteur / Autrice : Roberta Morais Ferreira
• Direction : Samuel Bernard, Ricardo Antonio Francisco Machado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Universidade federal de Santa Catarina (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Luiz Fernando Belchior Ribeiro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assil Bouzid, Günter Motz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André Lourenço Nogueira, Luiz Antonio Ferreira Coelho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites céramiques-polymères

Matériaux céramiques

Hydrogène

Mots clés libres

Céramiques dérivées de polymères

Fractionnement de l'eau dans les milieux alcalins

Hydrogen

Polymer-Derived Ceramics

Alkaline water splitting

Résumé

La modification chimique d'un poly (vinylmethyl-co-methyl) silazane avec des complexes d'acétates, d'acetylacetonates ou de chlorures de métaux de transition a été réalisée via la voie céramique dérivée de polymère (PDC). Celle ci a été suivie d'une pyrolyse à différentes températures sous la même atmosphère, de manière à approfondir l'étude de la formation de la céramique. Le matériau obtenu a été caractérisé en termes de stabilité thermique, de composition élémentaire pour chaque phase, et de cristallinité. Les résultats montrent que le rapport molaire Si:métal ainsi que les conditions de traitement thermique ont une influence élevée sur la structure finale du matériau. Des céramiques SiCN présentant des teneurs en métal différentes ont été obtenues dans chaque cas, et ce quel que soit le précurseur métallique choisi. Ces travaux mettent en avant la formation in situ et à basse température de nanocrystallites de nickel intégrées dans une phase amorphe SiCN(O), grâce à un contrôle minutieux de la chimie derrière la conception des matériaux. Un composite de nanoparticules de Ni dispersées dans une matrice de SiCN(O) est obtenu par pyrolise, à 500°C sous argon, de polymères précéramiques chimiquement modifiés au Ni selon un rapport atomique Si/Ni de 2.5. Ce matériau innovant présente des propriétés performantes d'électrocatalyse pour la réduction d'oxygène en milieux alcalins. Ces mêmes propriétés en font un excellent candidat pour des applications dans le futur des énergies renouvelables.

The chemical modification of a poly (vinylmethyl-co-methyl) silazane with transition metal acetates, acetylacetonates and chlorides complexes was performed by the polymer-derived ceramic (PDC) route, followed by pyrolysis at different temperatures under the same atmosphere for an in-depth investigation of ceramic formation. The obtained materials were characterized by thermal stability, elemental/phase composition evolution, and crystallization behavior. Results show that the Si:Metal molar ratio as well as thermal treatment conditions have a strong influence on the final material structure. SiCN ceramics displaying various metal contents were obtained regardless of the metal precursor chosen. This work highlights the lowtemperature in situ formation of nickel nanocrystallites embedded within an amorphous SiCN(O) ceramic matrix through careful control of the chemistry behind materials design. Pyrolysis of Ni-modified preceramic polymer obtained in a Si:Metal molar ratio of 2.5, at 500 °C under argon atmosphere revealed a homogeneous dispersion of nickel nanocrystallites in the SiCN(O) matrix. Such newly synthesized material performed outstanding electrocatalytic performances for oxygen reduction in alkaline water electrolysis. This innovative pre-catalyst proved to be a promising candidate for future renewable energy technologies.