Synthèse de nitrures de fer nanostructurés, matériaux durables pour le secteur de l'énergie // synthesis of nanostructured iron nitrides, sustainable materials for applications in the energy sector

Topic description

Les nitrures de fer sont des matériaux peu coûteux et non toxiques qui peuvent trouver de nombreuses applications, en particulier à l'échelle nanométrique, en fonction de leur composition. Par exemple, la phase nanostructurée ε-FexN (x=2-3) peut être utilisée comme électrocatalyseur (dans les piles à combustible ou pour la production d'hydrogène), comme électrode dans les batteries haute performance, ou pour ses propriétés magnétiques dans des applications biomédicales. Les nanoparticules de la phase γ'-Fe4N magnétiquement douce présentent un intérêt considérable pour leurs propriétés d'absorption des micro-ondes. La phase dure α”-Fe16N2 pourrait être utilisée pour fabriquer des aimants permanents durables.
La principale voie d'accès à ces phases commence par la synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer qui sont ensuite réduites à haute température et nitrurées par exposition à l'ammoniac. Afin d'éviter la première étape, très coûteuse en énergie, nous avons développé un procédé basé sur la nitruration directe de nanoparticules de fer zérovalent par l'ammoniac. Cette méthode a permis d'obtenir et de caractériser entièrement la phase ε-Fe2N. Des expériences préliminaires ont également conduit à des matériaux mixtes composés des phases α-Fe et α”-Fe16N2, ou des phases ε-Fe3N et γ'-Fe4N. Cependant, le contrôle de la composition du matériau final reste difficile, en particulier lorsqu'on vise la synthèse de phases à faible teneur en azote.
L'objectif de ce projet de doctorat de trois ans est d'identifier les paramètres clés qui régissent l'incorporation de l'azote dans la structure du fer, dans le but d'ajuster de façon rationnelle la teneur en azote du matériau final et de produire des phases pures nanostructurées.
Pour ce faire, la réactivité des nanoparticules de fer zérovalent vis-à-vis de l'ammoniac et l'incorporation d'azote dans la structure du fer au cours du processus de nitruration seront étudiées à l'échelle atomique et en temps réel à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) in situ. Sur la base des connaissances acquises, des nanomatériaux de nitrure de fer de phase pure à faible teneur en azote seront préparés, caractérisés et évalués dans les applications pertinentes
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The iron nitrides are low cost and non-toxic materials, which can find many applications, especially at the nanoscale depending on their composition. For example, the nanostructured -FexN phase (x=2-3) can be used as electrocatalyst (in fuel cells or for hydrogen production), as electrode in high performance batteries, or for its magnetic properties in biomedical applications. Nanoparticles of the magnetically soft γ'-Fe4N phase are of huge interest for their microwave absorption properties. The hard ''-Fe16N2 phase could be used to build sustainable permanent magnets. The main route to these phases starts from the synthesis of iron oxide nanoparticles which are then reduced at high temperature and nitridated by exposure to ammonia. To avoid the first step, which is very energy consuming, we have developed a process based on the direct nitridation of zerovalent iron nanoparticles by ammonia. By this method, the ε-Fe2N phase has been obtained and fully characterized. Preliminary experiments also lead to mixed materials consisting in α-Fe and α”-Fe16N2 phases, or ε-Fe3N and γ'-Fe4N phases. However, controlling the composition of the final material remains challenging, in particular when targeting the synthesis of phases with low nitrogen content.
The objective of this three-year PhD project is to identify the key parameters governing the incorporation of nitrogen in the iron structure with the objective to tune the nitrogen content in the final material and produce phase-pure nanostructured iron nitrides in a rational way. To do so, the reactivity of the zerovalent iron nanoparticles towards ammonia and the incorporation of nitrogen in the iron structure during the nitridation process will be studied down the atomic scale and in real time using in situ gas transmission electron microscopy (TEM). Based on the knowledge gained, phase-pure iron nitride nanomaterials of low nitrogen content will be prepared, characterized and assessed in the relevant applications.
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Début de la thèse : 01/09/
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