Activités scientifiques

Depuis la recherche exploratoire jusqu’aux objets fonctionnels, les activités du groupe "Oxydes et Électro-Céramiques Architecturées pour l’Énergie et l’Électronique" couvrent une gamme étendue de compétences et de savoir-faire liés à la chimie des matériaux...

Depuis la recherche exploratoire jusqu’aux objets fonctionnels, les activités du groupe couvrent une gamme étendue de compétences et de savoir-faire liés à la chimie des matériaux.
Conversion de l’énergie, traitement de l’information, développement durable sont parmi les champs d’application des résultats du groupe, acquis grâce à une culture multidécennale de la chimie des solides.

 

Piles à combustible X-Chromes Matériaux ferroïques
Modélisation multi-échelle Oxydes thermoélectriques et magnéto-caloriques

 

 


Piles à combustible

Nos recherches portent essentiellement sur les matériaux d’électrodes pour piles à combustible hautes températures (SOFC, PCFC) et électrolyseurs de la vapeur d’eau (SOEC), plus spécifiquement sur des oxydes conducteurs mixtes MIEC (Mixed Ionic – Electronic Conductors) permettant d’obtenir une interface (gaz, électrode, électrolyte) performante. L’optimisation des performances résulte d’une amélioration conjointe des performances intrinsèques des matériaux et de la mise en forme des électrodes. Les travaux les plus récents ont ainsi porté sur l’infitration d’électro-catalyseurs très performants (Pr6O11) dans un squelette poreux de conducteur ionique, lui même préparé par coulage en bande au sein d’une architecture poreuse/dense/oreuse de cellule complète.

Montage de cellules pour mesures électrochimiques – Infiltration d’un électro-catalyseur dans un squelette conducteur ionique

 

  • Guesnet L., Geffroy P.-M., Flura A., Nicollet C., Grenier J.-C., Vulliet J., Chartier T., Bassat J.-M. “Shaping of ceria-based SOC cells: development of a combined tape-casting and infiltration route.” ECS Transactions 2019, vol. 91, p. 291-299. DOI : 10.1149/09101.0291ecst
  • Vibhu V., Flura A., Rougier, A., Nicollet, C., Grenier J.-C., Bassat J. M. “Ageing study of lanthanum-praseodymium nickelates La2-xPrxNiO4+δ as oxygen electrodes for Solid Oxide Cells”, Journal of Energy Chemistry 2020, vol 46, p. 62-70. DOI : 10.1016/j.jechem.2019.10.012
  • Vibhu V., Vinke I. C., Eichel R.-A., Bassat J.-M., De Haart L. G. J. La2Ni1-xCoxO4+δ (x = 0.0, 0.1 and 0.2) based efficient oxygen electrode materials for solid oxide electrolysis cells. Journal of Power Sources 2019, vol. 444, p. 227292 (8 p.). DOI : 1016/j.jpowsour.2019.227292
  • Ogier T., Prestipino C., Figueroa S., Mauvy F., Mougin J., Grenier J.-C., Demourgues A., Bassat J. M. In-situ study of cationic oxidation states in Pr2NiO4+δ using X-ray absorption near-edge spectroscopy. Chemical Physics Letters 2019, vol. 727, p. 116-120. DOI : 1016/j.cplett.2019.04.034
  • Geffroy P. M., Guironnet L., Bouwmeester H. J. M., Chartier T., Grenier J.-C., Bassat J. M. Influence of oxygen partial pressure on the oxygen diffusion and surface exchange coefficients in mixed conductors. Journal of the European Ceramic Society 2019, vol. 39, p. 59-65. DOI : 1016/j.jeurceramsoc.2018.03.034
  • Marik S., Nicollet C., Channabasappa M., Fourcade S., Wattiaux A., Duttine M., Decourt R., Bassat J. M., Toulemonde O. SrCo85Fe0.15O2.62 – Oxygen deficient « 314-type » perovskite; a highly efficient cathode for solid oxide fuel cells. Fuel Cells (Weinheim, Germany) 2017, vol. 17, n° 3, p. 353-358. DOI : 10.1002/fuce.201600203

 


X-Chromes

Les matériaux et dispositifs X-Chromes ont la propriété de moduler leurs propriétés optiques sous un stimulus extérieur. Focalisés plus particulièrement sur les propriétés thermochromes (température) et électrochromes (potentiel), notre recherche s’étend de l’optimisation du matériau, en jouant sur sa morphologie, sa composition, sa cristallinité jusqu’à son intégration dans un dispositif à architecture optimisée. Nos travaux concernent toutes les couches de l’empilement, oxydes transparents conducteurs, électrolyte, matériau électrochrome et matériau thermochrome. Les oxydes de Vanadium, aux stoechiométries multiples, sont au coeur de notre recherche actuelle. V2O5 présente un multi-électrochromisme réversible associé à un changement de couleur d’orange à vert et bleu tandis que le dopage de VO2 par Nb conduit à une diminution de la  température de transition proche de Tamb.

 

Figure : Comportement électrochrome d’une couche de V2O5 commutant de façon réversible d’orange à vert et bleu

 

 

 

  • Danine A., Manceriu L., Faure C., Labrugère C., Penin N., Delattre A., Eymin-Petot-Tourtollet G., Rougier A. Toward simplified electrochromic devices using silver as counter electrode material. ACS Applied Materials & Interfaces 2019, vol. 11, n° 37, p. 34030-34038. DOI : 10.1021/acsami.9b1238
  • Guan S., Souquet-Basiège M., Toulemonde O., Denux D. , Penin N., Gaudon M., Rougier R., Towards Room Temperature thermochromism of VO2 by Nb-doping : magnetic investigations. Chemistry of Materials 2019, 31, 23, 9819-9830. DOI : 10.1021/acs.chemmater.9b03906
  • Mjejri I., Gaudon M., Song G., Labrugère C., Rougier A. Crystallized V2O5 as oxidized phase for unexpected multicolor electrochromism in V2O3 thick film. ACS Applied Energy Materials 2018, vol. 1, n° 6, p. 2721-2729. DOI : 10.1021/acsaem.8b00386
  • Toulemonde O., Devoti A., Rosa P., Guionneau P., Duttine M., Wattiaux A., Lebraud E., Penin N., Decourt R., Fargues A., Buffière S., Demourgues A., Gaudon M. Probing Co- and Fe-doped LaMO3 (M = Ga, Al) perovskites as thermal sensors. Dalton Transactions 2018, vol. 47, n° 2, p. 382-393. DOI : 10.1039/C7DT03647G

 


Matériaux ferroïques

Historiquement inscrites dans une culture chimie du solide, les recherches dans le domaine des matériaux ferroiques se diversifient en termes d’applications, de multidisciplinarité et d’évolutions récentes vers des matériaux et des procédés de mise en œuvre durables. Notre groupe explore la synthèse de nouveaux matériaux (nouvelles phases, polymorphes, multi-matériaux, etc…) et le contrôle de leur mise en forme (structuration, frittage, etc…).  En parallèle des voies d’élaboration déjà établies, nous portons un intérêt grandissant au développement de nouveaux procédés à basse température. La valorisation des matériaux tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué, requiert un diagnostic complet sur la base de caractérisations structurales, microstructurales et diélectriques. Cette approche est complétée par la modélisation et l’imagerie 3D qui jouent un rôle essentiel pour comprendre et corréler les mécanismes et les propriétés aux différentes échelles.

 

  • Elissalde C., Chung U.-C., Josse M., Goglio G., Suchomel M. R., Majimel J., Weibel A., Soubie F., Flaureau A., Fregeac A., Estournès C. Single-step sintering of zirconia ceramics using hydroxide precursors and Spark Plasma Sintering below 400 °C. Scripta Materialia 2019, vol. 168, p. 134-138. DOI : 10.1016/j.scriptamat.2019.04.037
  • Hérisson de Beauvoir T., Sangregorio A., Cornu I., Elissalde C., Josse M. Cool-SPS: an opportunity for low temperature sintering of thermodynamically fragile materials. Journal of Materials Chemistry C: Materials for Optical and Electronic Devices 2018, vol. 6, n° 9, p. 2229-2233. DOI : 10.1039/C7TC05640K
  • Buse G., Xin C., Marchet P., Borta-Boyon A., Pham-Thi M., Cabane H., Veron É., Josse M., Velázquez M., Lahaye M., Lebraud É., Maglione M., Veber P. Spinodal decomposition in lead-free piezoelectric BaTiO3–CaTiO3–BaZrO3 crystals. Crystal Growth & Design 2018, vol. 18, n° 10, p. 5874–5884. DOI : 10.1021/acs.cgd.8b00596

 


Modélisation multi-échelle

1) Calculs de structure électronique: théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), méthode des liaisons fortes (Hückel étendu), approches complémentaires bien adaptées à l’étude des relations structure-propriétés dans les matériaux, à l’échelle de l’atome et de la liaison chimique. Visualisation par cartes de densité: électronique (résolue en énergie, en canal de spin, en vecteur ou fonction d’onde), de spin, d’énergie coulombienne ou cinétique, de la fonction de localisation des électrons (ELF), pour une identification des zones “actives” de la densité électronique et des chemins d’interaction magnétique et l’analyse fine de la liaison chimique.

 

 

 

Figure : localisation of charge carriers (polaron) in the vicinity of a defect (dopant) in a hole-doped oxide with rutile structure, calculated by DFT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Mahon T., Gaudin E., Villesuzanne A., Decourt R., Bobet J.-L., Isnard O., Chevalier B., Tencé S. Hydrogen insertion in the intermetallic GdScGe: a drastic reduction of the dimensionality of the magnetic and transport properties. Inorganic Chemistry 2018, vol. 57, p. 14230-14239. DOI : 1021/acs.inorgchem.8b02247
  • Frayret C., Villesuzanne A., Pouchard M., Mauvy F., Bassat J.-M., Grenier J.-C.. A density functional study of oxygen mobility in ceria-based materials. Defect and Diffusion Forum, 2012, vol. 323–325, p 233-28 DOI : 4028/www.scientific.net/DDF.323-325.233

2) La modélisation à l’échelle mésoscopique quant à elle permet de mieux comprendre la relation entre microstructure et propriétés à une échelle où les lois de la mécanique des milieux continus s’appliquent. Les techniques d’imagerie 3D (micro et nano-tomographie X, FIB-SEM) sont essentielles dans cette activité. Elles fournissent les données géométriques nécessaires à la construction des modèles numériques réalistes des micro-structures sur lesquels les simulations de transport sont faites.

 

Figure : a) Rendu volumique d’un échantillon de composite BST/MgO (la matrice BST est transparente et les surfaces visibles correspondent à l’extérieur de l’échantillon et aux interfaces matrice/inclusions). b) Résultats numériques pour le sous-volume indiqué en noir en a : potentiel aux limites du domaine (couleur) et lignes de champ électrique.

 

 

 

 

 

 

  • Lesseur J., Bernard D., Chung U.-C., Estournès C., Maglione M., Elissalde C. 3D mapping of anisotropic ferroelectric/dielectric composites. Journal of the European Ceramic Society 2015, vol. 35, n° 1, p. 337-345. DOI : 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.07.032

 


Oxydes thermoélectriques et magnéto-caloriques

Nos recherches s’orientent également vers l’exploration de nouveaux oxydes et intermétalliques : mise à profit des degrés d’oxydations inusuels via des approches électrochimiques, des corrélations électroniques, de la microstructure et/ou de la basse dimensionnalité pour des applications thermoélectriques (Seebeck / Peltier) et magnétiques (entropie magnétique).
L’étude de phénomènes d’érosions/corrosions a aussi été entreprises lors de la mise en contact de réfrigérants intermétalliques avec un liquide caloporteur.

 

  • Popuri S. R., Decourt R., McNulty J. A., Pollet M., Fortes A. D., Morrison F. D., Senn M. S., Bos J.-W. G. Phonon−glass and heterogeneous electrical transport in a‑site-deficient SrTiO3. Journal of Physical Chemistry C 2019, vol. 123, n° 9, p. 5198-5208. DOI : 10.1021/acs.jpcc.8b10520
  • Madhu C.,  Petit E.,  Toulemonde O. Toward oxygen fully stoichiometric La1-xSrxCoO3 (0.5≤x≤0.9) perovskites: Itinerant magnetic mechanism more than double exchange one’s. Ceramics International 2019, DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.067
  • Chennabasappa M., Chevalier B., Lahaye M., Labrugère C., Toulemonde O. A core-shell phenomena maintain the magnetocaloric properties of the ternary silicide Gd6Co1.67Si3 during water flux ageing. Journal of Alloys and Compounds 2014, vol. 584, p. 34-40. DOI : 10.1016/j.jallcom.2013.08.211