Matériaux à taux de graphène élevé à partir de biomasse et biodéchets par traitements thermiques

Graphenic-like materials from biomass and biowastes using thermal treatments

• Auteur / Autrice : Salomé Rigollet
• Direction : Ange Nzihou, Gilles Flamant
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RAPSODEE - Centre de Recherche d'Albi en Génie des Procédés, des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Biomasse

Carbonisation

Graphitisation

Biodéchets

Procédé thermochimique à énergie solaire

Biomass

Carbonization

Graphitization

Biowaste

Solar-assisted thermochemical conversion

Résumé

Le laboratoire RAPSODEE travaille depuis 15 ans sur la production de matériaux carbonés à propriétés contrôlées à partir de biomasse et de biodéchets en utilisant des procédés thermochimiques (pyrolyse, gazéification). Plusieurs de ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire PROMES sur les aspects pyro-gazéification par voie solaire. Nous avons acquis une expertise reconnue sur la caractérisation de ces structures. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de produire des matériaux graphéniques biosourcés à partir de ressources renouvelables (à plus faible impact environnemental), pour des applications dans le domaine de l'énergie et du contrôle de la pollution principalement. Pour cela, plusieurs procédés seront comparés. La carbonisation hydrothermale, la pyro-gazéification conventionnelle et la pyro-gazéification par voie solaire. Les travaux sur pyro-gazéification solaire à haute température seront réalisés au four solaire de Font Romeu (PROMES CNRS). Une collaboration avec un laboratoire aux USA est envisagée. Les enjeux scientifiques principaux de la thèse sont : - Comprendre les mécanismes de formation et de croissance du graphène dans les conditions étudiées - Comprendre et identifier les paramètres influençant la formation de graphène - Mettre en évidence le lien entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques, électriques et thermiques des feuillets obtenus et le procédé de production. - Développer des méthodes innovantes pour la séparation des feuillets de graphène - Modéliser la croissance des phases graphéniques

Graphene is a bidimensional material with one atomic layer as thickness. Itis a lightweight and flexible material, having outstanding mechanical and thermal properties, as well as a high conductivity. Therefore graphene is considered as a high performance material for applications such as batteries, energy storage, sensors for pollution control, electronics, and biology. Graphene is only encountered in nature in combination with other elements Graphene sheets are highly organized in graphitic structure or randomly oriented in turbostratic structure, leading to the formation of carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black. Depending on the characteristics such as the length and the orientation of the graphene sheets, various properties could be developed: electrical conductivity, mechanical or thermal resistance. To reach these high performances, graphene are currently produced from petroleum-based industries (exfoliation of graphite or carbon nanotubes, epitaxial growth of SiC, or chemical vapor deposition) leading to a high negative environmental impact. The RAPSODEE research center-CNRS has developed a strong background on carbon materials production using thermochemical conversion (pyrolysis, gasification) of biomass and biowastes. Many studies were also developed in collaboration with PROMES Laboratory, in particular, on solar-assisted pyro-gasification. We have gained an outstanding experience in the characterization of carbon materials using standard and advanced techniques. The goal of the PhD project is to develop and characterize highly graphenic materials from biomass and biowastes (lesser environmental impact), for mainly energy applications and sensors for pollution control. For this purpose, various conversion processes will be compared: hydrothermal carbonization, conventional pyro-gasification and solar-assisted pyro-gasification. Solar-assisted experiments will be carried out with the dedicated equipements located at PROMES CNRS in Font-Romeu (Concentrated Solar facilities). A collaboration with a research team in the USA is considered for this work. The scientific challenges of the project are: - Understanding the mechanism of graphene formation using the selected operating conditions - Understanding and identifying the parameters that influence the graphitization - Unravelling the relationship between the physico-chemical, mechanical, electrical and thermal properties of the graphenic layers and the production process. - Modeling the growth of graphenic phases