Le mélange eutectique LiCl-KCl fondu : un nouveau milieu pour l’intercalation dans le graphite d’alcalino-terreux et de lanthanoïdes

Molten LiCl-KCl eutectic mixture : a novel medium for the intercalation of alkaline-earth and lanthanide metals into graphite

• Auteur / Autrice : Inass El Hajj
• Direction : Sébastien Cahen, Lucie Speyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/02/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Claire Hérold
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Cahen, Lucie Speyer, Marc Dubois, Guillaume Rogez, Nicolas Emery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Dubois, Guillaume Rogez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Sels fondus

Métaux des terres rares

Graphite

Oxydes alcalinoterreux

Alliages eutectiques

Composés d'insertion

Intercalation (chimie)

Mots clés libres

Alcalino-Terreux

Graphite

Diffraction de rayons X

Lanthanide

Intercalation

Sels fondus

Alkaline earth

Graphite

X-Ray diffraction

Lanthanide

Intercalation

Molten salts

Résumé

Les composés d’intercalation du graphite (CIG) constituent une classe de matériaux bidimensionnels faisant l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. En particulier, ces composés ont suscité de nombreux travaux de la part de la communauté scientifique au regard de leurs propriétés supraconductrices à basse température. De nombreux CIG, déjà reportés dans la littérature, ont été synthétisés en faisant varier la nature des espèces intercalées. Les premiers d’entre eux, qui résultent d’une réaction d’intercalation entre le graphite et les métaux alcalins, ont été obtenus par action directe de la vapeur métallique sur le graphite dès 1926. Depuis lors, des recherches foisonnantes ont concerné les systèmes graphite-donneurs d’électrons, et notamment ceux faisant intervenir les métaux alcalino-terreux et lanthanoïdes. Ces dernières années, la recherche au laboratoire s’est orientée vers l’utilisation d’une nouvelle méthode de synthèse consistant en l’utilisation d’un milieu eutectique LiCl-KCl comme intermédiaire de réaction entre certains métaux (strontium, baryum, ytterbium et samarium) et le graphite. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce travail de thèse, et les composés ainsi obtenus ont été soumis à des caractérisations par diffraction des rayons X, microsonde nucléaire et spectroscopie Raman afin de réaliser des études structurales, chimiques et des propriétés physiques. L’analyse enthalpique différentielle a également été mise en oeuvre afin de mieux appréhender la chimie en milieu sels fondus.Ainsi, la première partie de ce travail consiste à détailler les résultats obtenus concernant les composés binaires de premier stade SrC6 et BaC6 ainsi qu’à établir les points communs et les différences entre ces deux phases, en comparaison avec la littérature. Des tentatives de synthèse des composés binaires YbC6 et SmC6 sont également reportées.Le deuxième volet de ce travail se focalise sur de nouvelles phases synthétisées à partir des systèmes graphite-Ba/LiCl-KCl et graphite-Sr/LiCl-KCl. Dans chaque cas, deux composés notés α et β ont pu être identifiés et caractérisés. Un mécanisme réactionnel expliquant la formation de ces phases a pu être proposé. Des études calorimétriques sont également réalisées dans le but d’étudier le comportement des métaux vis-à-vis de l’eutectique et d’aller plus loin dans la compréhension des phénomènes chimiques conduisant à l’obtention de composés d’intercalation du graphite dans ce milieu.

Graphite intercalation compounds (GICs) are 2D materials that are subjected to numerous theoretical and experimental studies. In particular, these compounds have attracted a lot of attention from the scientific community regarding their superconducting properties at low temperature. Many GICs reported in the literature have been synthesized by changing the nature of the intercalated species. The first ones, resulting from an intercalation reaction between graphite and alkali metals, were obtained by direct action of metallic vapor on graphite. Since, a great deal of research has been carried out on graphite-electron donor systems, mainly those involving alkaline earth metals and lanthanides. Recently, researches have been carried out using a novel synthesis route involving eutectic medium LiCl-KCl as intermediate for intercalating various metals (strontium, barium, ytterbium and samarium) into graphite. Within this framework, the compounds prepared in this work have been characterized by X-ray diffraction, nuclear microprobe and Raman spectroscopy in order to carry out structural, chemical and physical properties studies. Differential scanning calorimetry has also been used to better understand the behavior of metals in molten salts.Therefore, after a bibliographic presentation of the state of the art, the first part of this work entails in describing the results obtained concerning first stage binary compounds SrC6 and BaC6. Attempts to synthesize binary compounds YbC6 and SmC6 are also reported.The second part of this work focuses on new phases synthesized from graphite Ba/LiCl KCl and graphite-Sr/LiCl-KCl systems. In each case, two compounds noted α and β could be identified and characterized. A reaction mechanism elucidating the formation of these GICs could be proposed. Calorimetric studies are carried out in order to inspect the behavior of metals towards molten salts and to further understand the chemical phenomena leading to graphite intercalation compounds in this medium.