Synthèse et décomposition catalytique de complexes d’alanes pour l’obtention de nanoparticules d’aluminium en suspension dans des carburants

L’aluminium est un métal ayant une densité énergétique plus élevée que les hydrocarbures tout en ayant une énergie de combustion comparable.^1,2 J.M Bergthorson et al.¹ proposent d’ailleurs la combustion métallique comme une alternative à celle des hydrocarbures. Des particules d’aluminium sont depuis longtemps ajoutées aux propergols, carburants solides, et la diminution de leur taille à l’échelle nanométrique est une stratégie qui a montré son efficacité pour améliorer les performances énergétiques. Ces dernières années, c’est l’ajout de nanoparticules métalliques à des carburants liquides pour former des nano-carburants qui est étudié afin d’accroître les densités et chaleurs de combustion.^2-4 Cependant, il est nécessaire d’obtenir des suspensions colloïdales stables en évitant l’agrégation et l’oxydation des particules. De plus, les ligands utilisés pour obtenir cette stabilité ne doivent pas diminuer la densité énergétique du mélange.

Plusieurs méthodes de synthèse de nanoparticules d’aluminium ont été développées. Les voies chimiques présentent l’avantage de permettre un meilleur contrôle de l’état de surface et de pouvoir être réalisées in situ. La décomposition de complexes d’alanes (AlH₃.carbènes N-hétérocycliques) dans un milieu complexant a montré son efficacité pour obtenir des nanoparticules dont la taille est contrôlée par la cinétique, elle-même variant avec le ligand, le solvant, le catalyseur, … utilisés.⁵ Les objectifs de la thèse seront de synthétiser des ligands énergétiques précédemment identifiés, puis des complexes d’alanes et d’étudier leur décomposition catalytique dans différents solvants, y compris dans le carburéacteur. L’évolution de la morphologie des nanoparticules d’aluminium résultantes et de leur stabilité colloïdale en fonction des ligands utilisés sera étudiée. Les suspensions obtenues pourront faire l’objet de tests de combustion dans les locaux du partenaire privé.

Références :

1. J.M. Bergthorson et al., Appl. Energy 160 (2015) 368.

2. D. Wen, Energy Environ. Sci. 3 (2010) 591.

3. Y. Jin et al., Acta Astronaut. 185 (2021) 70.

4. X.-T.-F. E et al., Chem. Eng. Sci. 129 (2015) 9.

5. a. B. D. Clarck et al., J. Am. Chem. Soc. 141 (2019) 1716. b. C.R. Jacobson et al., Acc. Chem. Res. 53 (2020) 2020.

Le laboratoire ITODYS (Interfaces Traitements Organisation et DYnamique des Systèmes), est une unité mixte de recherche (UMR7086) Université Paris Cité - CNRS. Le laboratoire développe des activités de recherche autour de la chimie de surface, des interfaces, des nanomatériaux et nanosystèmes et de la chimie moléculaire pour les nanosciences. Le large spectre thématique explore différents aspects de la chimie-physique des molécules, nanosystèmes et nanomatériaux.

L’étudiant.e sera intégré.e dans l’équipe NanoCat du laboratoire ITODYS qui est spécialisée dans la synthèse de ligands et de nanoparticules pour des applications en catalyse et énergie. L’étudiant.e sera intégré.e dans une équipe dynamique qui compte 7 chercheurs et enseignants-chercheurs, des doctorants et post-doctorants et il.elle bénéficiera des équipements disponibles au laboratoire.

Le candidat ou la candidate devra avoir des compétences en synthèse organique et organométallique et des notions en chimie du solide. Une autonomie et une rigueur sont requises : les manipulations seront réalisées en boîte à gants. Les matériaux obtenus devront être passivés et manipulés avec précaution. Le projet fait l’objet d’un contrat industriel, aussi l’écriture de rapports bi-annuels est à prévoir.