Nouveaux matériaux sulfures à structures complexes : application à la thermoélectricité

New sulfide materials with complex structure : application to the thermoelectricity

• Auteur / Autrice : Arthur Huguenot
• Direction : Régis Gautier, Stéphane Cordier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 21/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Gautier, Stéphane Cordier, Émilie Gaudry, Pascal Boulet, Emmanuel Guilmeau, Karine Costuas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Émilie Gaudry, Pascal Boulet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Clusters (chimie)

Sulfures

Thermoélectricité

Mots clés libres

Structure électronique

DFT

Thermoelectricity

Sulphides

Electronic structure

Résumé

Dans le contexte écologique actuelle et pour réduire les dépenses énergétiques, il est important de trouver de nouveaux matériaux qui ont à la fois un faible coût mais aussi un impact faible sur l’environnement. Notre attention s’est portée sur des matériaux inorganiques à base de soufre pour des applications en thermoélectricité. Ce travail de thèse est basé sur l’utilisation d’outils de chimie théorique pour mieux comprendre les propriétés structurales, électroniques, de transport de sulfures inorganiques et d’en évaluer, pour certains, le potentiel en tant que thermoélectrique. Des calculs quantiques basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont été mis en oeuvre ainsi que des simulations de transport par une approche semi-classique. L’étude in silico de la stannoidite et de phases dérivées a permis de mieux comprendre l’effet de la substitution d’une partie des atomes de fer par des atomes de cuivre ou de zinc. L’étude des phases Cu6SnMS8 (M = Mo, W) a permis de clarifier la structure électronique de ces phases, et de prédire l’absence de propriétés magnétiques de ces composés. L’étude a également permis de montrer que l’hémusite devrait présenter des propriétés de transport similaire à la kidcreekite dans l’hypothèse d’une structure cristalline analogue. L’analyse de la structure électronique des phases XBi4S7 (X = Fe, Mn) a permis de mieux comprendre la liaison chimique dans ces composés. Enfin, le potentiel de matériaux à clusters de molybdène des familles Rb2(Mo9S11)(Mo6nS6n+2) et M2M’2Mo9Q11 (M = Cu, Ag ; M’ = In, Tl, Q = S, Se) a été évalué.

In the current ecological context and in order to reduce the energetic spent, it is important to find new materials that have both low cost and a low impact on the environment. Our focus has been on inorganic sulfur-based materials for thermoelectric applications. This thesis work is based on the use of theoretical chemistry tools to better understand the structural, electronic, transport properties of inorganic sulphides and to evaluate, for some, their potential as a thermoelectric. Quantum calculations based on density functional theory (DFT) were implemented as well as transport simulations by a semi-classical approach. The in silico study of stannoidite and its derivative phases has shed light on the effect of substituting some of the iron atoms for copper or zinc atoms. The study of Cu6SnMS8 phases (M = Mo, W) has clarified the electronic structure of these phases, and predicted the absence of magnetic properties of these compounds. The study also showed that hemusite is expected to exhibit transport properties similar to kidcreekite under the assumption of a similar crystal structure. Analysis of the electronic structure of XBi4S7 phases (X = Fe, Mn) has provided a better understanding of the chemical bond in these compounds. Finally, the potential of molybdenum cluster-based materials of the Rb2(Mo9S11)(Mo6nS6n+2) and M2M’2Mo9Q11 (M = Cu, Ag; M ’= In, Tl, Q = S, Se) families was investigated.