Réactivité de surface des nanomatériaux

Notre groupe possède des compétences et des équipements qui permettent de sonder les interactions entre les surfaces minérales et les fluides dans une large gamme de conditions allant de la pression atmosphérique et la basse température aux conditions hydrothermales intermédiaires avec un contrôle sur (ou une mesure - souvent in situ - de) redox, activité ionique, pH,… De plus, notre groupe a développé au fil des années la capacité de synthétiser une variété de minéraux de référence dont les propriétés de surface (composition chimique, taille des cristaux, surface spécifique, densité des défauts, etc…) peuvent être contrôlées. Cette capacité expérimentale est complétée par notre expertise dans les méthodes de la chimie du solide pour sonder la structure des minéraux impliqués, même s’ils sont très désordonnés, leur évolution et la spéciation des éléments et molécules en interaction. La combinaison des deux expertises expérimentales permet d’appréhender les mécanismes réactionnels opérant sur les surfaces minérales. Cette capacité est renforcée par les approches informatiques tels que la modélisation atomistique et moléculaire, souvent réalisées en collaboration, tandis que la modélisation thermodynamique étend le domaine d’application des résultats et aide à déterminer les facteurs (dé) favorables aux réactions étudiées et à quantifier leur influence.
Dans ce cadre général, les minéraux à grains fins, et éventuellement en couches et / ou défectueux, et leurs analogues synthétiques (nanomatériaux) présentent un intérêt particulier en raison de leur réactivité élevée, tandis que les réactions se produisant en milieu naturel représentent une source d’inspiration majeure, avec deux domaines d’application principaux :

– Interactions entre les surfaces minérales et les contaminants dans la perspective de l’assainissement : les molécules organiques et les éléments inorganiques sont ciblés. Pour les premiers, la séquestration de molécules organiques complexes à la surface des minéraux argileux et la dégradation oxydante des contaminants organiques à la surface des oxydes de Mn et / ou Fe sont les études de cas typiques. Les seconds sont traités en collaboration avec la start-up HyMag’in. En revanche, l’étude à long terme des interactions entre les oxydes de Mn et les éléments traces métalliques (métaux de transition et terres rares) se poursuivra dans le cadre de projets collaboratifs, notamment avec des partenaires chinois. Une attention particulière sera portée au devenir de ces éléments lors des transformations minérales affectant les oxydes de Mn en milieu naturel.

– Interactions entre les surfaces minérales, les éléments et les molécules dans une perspective GéoRessources : les interactions avec les molécules organiques porteront à la fois sur la séquestration des gaz (H₂, CH₄) et la production de molécules énergétiques (CH₄, petites molécules organiques, hydrocarbures légers) au contact des surfaces minérales. D’autre part, les interactions avec les éléments se concentreront principalement sur les processus de minéralisation des métaux critiques, en particulier dans le contexte alpin, et sur le partage des éléments dilués entre les phases minérales.

Dans ces divers contextes, une compréhension détaillée des mécanismes de réaction impliqués permettra de modéliser les processus et d’optimiser les conditions et les matériaux pour renforcer l’effet d’intérêt. La modélisation thermodynamique de ces processus permettra d’étendre la pertinence des résultats expérimentaux à des domaines qui ne sont pas (ou à peine) accessibles expérimentalement.

Contacts :
– B. Lanson
– A-L. Auzende
– F. Brunet
– L. Truche
– B. Malvoisin
– E. Janots
– S. Jelavic