Soutenance de thèse de Salomé RIGOLLET

Composition du jury

    •    M. Ange NZIHOU : IMT Mines Albi, Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 - Directeur de thèse
    •    M. Laurent FULCHERI : Mines ParisTech, Université PSL - Rapporteur
    •    Mme Claire HÉROLD : Institut Jean Lamour, UMR CNRS 7198, Université de Lorraine - Rapporteure
    •    Mme Claire WHITE : Princeton University - Examinatrice
    •    M. Marco BARATIERI : Faculty of Science and Technology, Free University of Bolzano - Examinateur 
    •    M. Gilles FLAMANT : Laboratoire PROMES, UPR CNRS 8521 - Co-directeur de thèse
    •    Mme Elsa WEISS-HORTALA : IMT Mines Albi, Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 - Co-encadrante de thèse

 

Résumé

Les matériaux carbonés graphéniques sont constitués d’atomes de carbone organisés en structures proches de celles du graphène ou du graphite. Ces matériaux sont prometteurs pour de nombreux domaines, en contrôlant leurs propriétés thermiques, électriques et mécaniques en cours de production. La biomasse et les biodéchets peuvent être utilisés pour produire ces biocarbones graphéniques via un traitement thermique à haute température. Cependant ce traitement est à la fois énergivore, puisqu’il requiert des températures supérieures à 2000 °C, et partiellement efficace, en regard du caractère « non-graphitisable » de la ressource lignocellulosique. L’enjeu de cette thèse est donc de convertir une biomasse non-graphitisable en matériau à taux de graphène élevé à une température inférieure à 2000°C avec des procédés plus respectueux de l’environnement. La lignine (macropolymère de la biomasse lignocellulosique) a été choisie comme ressource dans cette étude pour sa structure partiellement aromatique faborable à la graphitisation. La production des biocarbones graphéniques a été réalisée selon quatre voies : (1) carbonisation solaire (énergie solaire concentrée), (2) carbonisation solaire catalytique (lignine dopée au calcium), (3) carbonisation hydrothermale (prétraitement) suivie d’une carbonisation conventionnelle (électrique) et (4) carbonisation hydrothermale suivie d’une carbonisation solaire. Les carbonisations conventionnelles et solaires sont effectuées entre 1000 °C et 1800 °C. La formation de domaines graphéniques a été déterminée qualitativement et quantitativement à l’aide de techniques d’analyses et d’observations multi-échelles. Le prétraitement hydrothermal favorise la pré-structuration du carbone, facilitant l’allongement et l’empilement des feuillets de graphène au cours de la carbonisation haute température. L’utilisation du calcium, un catalyseur non toxique et abondant, abaisse la température de formation des structures graphéniques à 1400 °C. Enfin, la carbonisation solaire améliore l’empilement et la croissance des feuillets graphéniques grâce à la haute densité d’énergie apportée à l’échantillon. Dans l’ensemble, les procédés sélectionnés ont permis la production de matériaux graphéniques à partir de lignine à des températures inférieures à 1 800 °C, réduisant ainsi les coûts énergétiques (demande en énergie électrique réduite de 95 %) et l’impact environnemental (émissions de CO2 divisées par 20).
 

Mots-clés

Biomasse, carbonisation, graphitisation, biodéchets, procédé thermochimique à énergie solaire.