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« Carbone dérivé de carbures » : différence entre les versions

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Le '''carbone dérivé de carbures''', ou {{Abréviation|'''CDC'''|Carbide-Derived Carbon}}, est une désignation générique pour les [[matériau]]x carbonés issus de [[carbure]]s [[Précurseur (chimie)|précurseurs]], qu'ils soient [[Composé binaire|binaires]], comme le [[carbure de silicium]] SiC et le [[carbure de titane]] TiC, ou ternaires, comme les [[Phase MAX|phases MAX]] {{fchim|Ti|2|AlC}} et {{fchim|Ti|3|SiC|2}}<ref name="10.1002/adfm.201002094">
Le '''carbone dérivé de carbures''', ou {{Abréviation|'''CDC'''|Carbide-Derived Carbon}}, est une désignation générique pour les [[matériau]]x [[Carbone|carbonés]] issus de [[carbure]]s [[Précurseur (chimie)|précurseurs]], qu'ils soient [[Composé binaire|binaires]], comme le [[carbure de silicium]] SiC et le [[carbure de titane]] TiC, ou ternaires, comme les [[Phase MAX|phases MAX]] {{fchim|Ti|2|AlC}} et {{fchim|Ti|3|SiC|2}}<ref name="10.1002/adfm.201002094">
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== Applications industrielles ==

Les matériaux en carbone dérivés de carbures sont utilisés comme couche active dans les [[supercondensateur]]s en raison de leur bonne [[conductivité électrique]] associée à leur [[surface spécifique]] élevée<ref name="10.1016/j.jpowsour.2006.02.065">
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| nom1 = A. G. Pandolfo et A. F. Hollenkamp
| titre = Carbon properties and their role in supercapacitors
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| volume = 157
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| jour = 19
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| pages = 11-27
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| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1016/j.jpowsour.2006.02.065
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| langue = en
| nom1 = Patrice Simon et Yury Gogotsi
| titre = Materials for electrochemical capacitors
| périodique = Nature Materials
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| numéro = 11
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| mois = novembre
| année = 2008
| pages = 845-854
| url texte = https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18956000/
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1038/nmat2297
| pmid = 18956000
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{{Article
| langue = en
| nom1 = J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon et P. L. Taberna
| titre = Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less Than 1 Nanometer
| périodique = Science
| volume = 313
| numéro = 5794
| jour = 22
| mois = septembre
| année = 2006
| pages = 1760-1763
| url texte = https://science.sciencemag.org/content/sci/313/5794/1760.full.pdf
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1126/science.1132195
| pmid = 16917025
| bibcode = 2006Sci...313.1760C
}}</ref>. En particulier, la [[Capacité électrique|capacité]] augmente significativement lorsque la taille des pores s'approche de celle des [[ion]]s [[Solvatation|désolvatés]] de l'électrolyte. La conductivité électrique du matériau carboné limite les pertes par [[Résistance (électricité)|résistance]] des supercondensateurs tout en accroissant le confinement des charges électriques<ref name="10.1557/JMR.2010.0195">
{{Article
| langue = en
| nom1 = Jingsong Huang, Bobby G. Sumpter, Vincent Meunier, Gleb Yushin, Cristelle Portet et Yury Gogotsi
| titre = Curvature effects in carbon nanomaterials: Exohedral versus endohedral supercapacitors
| périodique = Journal of Materials Research
| volume = 25
| numéro = 8
| jour =
| mois = août
| année = 2010
| pages = 1525-1531
| url texte = https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-materials-research/article/curvature-effects-in-carbon-nanomaterials-exohedral-versus-endohedral-supercapacitors
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1557/JMR.2010.0195
| pmid =
| bibcode = 2010JMatR..25.1525H
}}</ref> et en maximisant la densité et la capacité de stockage de charge électrique des électrodes en carbone dérivé de carbures<ref name="10.1002/pssb.200776162">
{{Article
| langue = en
| nom1 = A. Huczko, M. Osica, M. Bystrzejewski, H. Lange, S. Cudziło, J. Leis et M. Arulepp
| titre = Characterization of 1‐D nanoSiC‐derived nanoporous carbon
| périodique = Physica Status Solidi B
| volume = 244
| numéro = 11
| jour =
| mois = novembre
| année = 2007
| pages = 3969-3972
| url texte = https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pssb.200776162
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1002/pssb.200776162
| pmid =
| bibcode = 2007PSSBR.244.3969H
}}</ref>.

Les électrodes en carbone dérivé de carbures présentent une capacité gravimétrique pouvant atteindre {{unité|190|F/g}} dans les électrolytes aqueux et {{unité|180|F/g}} dans les électrolytes organiques<ref name="10.1126/science.1132195"/>. Les capacités les plus élevées ont été observées pour les systèmes dans lesquels le diamètre des ions de l'électrolyte et le diamètre des pores des électrodes s'accordent<ref name="10.1088/0953-8984/23/2/022201">
{{Article
| langue = en
| nom1 = S. Kondrat et A. Kornyshev
| titre = Superionic state in double-layer capacitors with nanoporous electrodes
| périodique = Journal of Physics: Condensed Matter
| volume = 23
| numéro = 2
| jour = 19
| mois = janvier
| année = 2011
| numéro article = 022201
| url texte = https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/2/022201
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1088/0953-8984/23/2/022201
| pmid = 21406834
| bibcode = 2011JPCM...23b2201K
| arxiv = 1010.0921
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{{Article
| langue = en
| nom1 = Pasquale F. Fulvio, Richard T. Mayes, Xiqing Wang, Shannon M. Mahurin, John C. Bauer, Volker Presser, John McDonough, Yury Gogotsi et Sheng Dai
| titre = “Brick‐and‐Mortar” Self‐Assembly Approach to Graphitic Mesoporous Carbon Nanocomposites
| périodique = Advanced Functional Materials
| volume = 21
| numéro = 12
| jour = 21
| mois = juin
| année = 2011
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| url texte = https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201002641
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1002/adfm.201002641
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| langue = en
| nom1 = C. Portet, G. Yushin et Y. Gogotsi
| titre = Effect of Carbon Particle Size on Electrochemical Performance of EDLC
| périodique = Journal of The Electrochemical Society
| volume = 155
| numéro = 7
| jour = 16
| mois = mai
| année = 2008
| pages = A531
| url texte = https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.2918304
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1149/1.2918304
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| bibcode = 2008JElS..155A.531P
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== Applications expérimentales ==

=== Stockage de l'hydrogène ===

Les matériaux en carbone dérivé de [[carbure de titane]] (TiC-CDC) activés à l'[[hydroxyde de potassium]] KOH ou au [[dioxyde de carbone]] {{fchim|CO|2}} peuvent stocker jusqu'à 21 % massique de [[méthane]] {{fchim|CH|4}} à {{tmp|25|°C}} sous pression. Les matériaux CDC à pores subnanométriques de l'ordre de {{unité|0.50|à=0.88|nm}} de diamètre peuvent stocker le [[Dioxyde de carbone|{{fchim|CO|2}}]] jusqu'à {{unité|7.1|mol/kg}} à {{tmp|0|°C}} sous {{unité|1|bar}}<ref name="10.1039/c1ee01176f">
{{Article
| langue = en
| nom1 = Volker Presser, John McDonough, Sun-Hwa Yeonb et Yury Gogotsi
| titre = Effect of pore size on carbon dioxide sorption by carbide derived carbon
| périodique = Energy & Environmental Science
| volume = 4
| numéro = 8
| jour = 30
| mois = juin
| année = 2011
| pages = 3059-3066
| url texte = https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/EE/c1ee01176f
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1039/c1ee01176f
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}}</ref>. Les matériaux CDC peuvent également stocker jusquà 3 % massique d'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{fchim|H|2}} à {{tmp|-196|°C}} sous {{unité|60|bar}}, valeur qui peut être améliorée par activation chimique ou physique de ces matériaux. Les matériaux en carbone dérivé d'{{Lien|langue=en|trad=Silicon oxycarbide|fr=oxycarbure de silicium}} SiOC avec des volumes importants de pores subnanométriques sont capables de stocker plus de 5,5 % massique d'hydrogène ) {{tmp|-196|°C}} sous {{unité|60|bar}}. Il est possible d'obtenir des densités de stockage de méthane de plus de 21,5 % massique pour ce type de matériaux, la prédominance de pores de taille subnanométrique offrant des volumes importants étant un paramètre déterminant dans cette optique<ref name="10.1016/j.micromeso.2011.03.042">
{{Article
| langue = en
| nom1 = Cekdar Vakifahmetoglu, Volker Presser, Sun-Hwa Yeon, Paolo Colombo et Yury Gogotsi
| titre = Enhanced hydrogen and methane gas storage of silicon oxycarbide derived carbon
| périodique = Microporous and Mesoporous Materials
| volume = 144
| numéro = 1-3
| jour =
| mois = octobre
| année = 2011
| pages = 105-112
| url texte = https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1387181111001491
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1016/j.micromeso.2011.03.042
| pmid =
| bibcode =
}}</ref>.

=== Revêtements tribologiques ===

Les [[Couche mince|couches minces]] en carbone dérivé de carbures obtenues par [[recuit]] sous vide ou par traitement au chlore de céramiques en [[carbure de silicium]] SiC présentent un faible [[coefficient de frottement]]. Le coefficient de friction du SiC, qui est largement utilisé pour les applications [[Tribologie|tribologiques]] en raison de sa [[Dureté (matériau)|dureté]] et de sa [[Résistance des matériaux|résistance]] élevées, peut ainsi passer de l'ordre de 0,7 à environ 0,2 voire moins en milieu sec<ref name="10.1016/j.surfcoat.2004.07.052">
{{Article
| langue = en
| nom1 = A. Erdemir, A. Kovalchenko, M. J. McNallan, S. Welz, A. Lee, Y. Gogotsi et B. Carroll
| titre = Effects of high-temperature hydrogenation treatment on sliding friction and wear behavior of carbide-derived carbon films
| périodique = Surface and Coatings Technology
| volume = 188-189
| numéro =
| jour =
| mois = novembre-décembre
| année = 2004
| pages = 588-593
| url texte = https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897204005584
| consulté le = 10 octobre 2020
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| pmid =
| bibcode =
}}</ref> ; ce résultat est d'autant plus intéressant que le [[graphite]] n'est pas utilisable en milieu sec. Le réseau poreux tridimensionnel des matériaux CDC permet une [[ductilité]] élevée et une résistance mécanique améliorée, ce qui limite les fractures des couches minces sous l'effet d'une contrainte. Les paramètres de friction peuvent être encore améliorés par recuit à l'[[Dihydrogène|hydrogène]] à haute température et [[passivation]] des [[Liaison pendante|liaisons pendantes]] par des atomes d'[[hydrogène]]<ref name="10.1023/A:1023508006745">
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| langue = en
| nom1 = B. Carroll, Y. Gogotsi, A. Kovalchenko, A. Erdemir et M. J. McNallan
| titre = Effect of Humidity on the Tribological Properties of Carbide-Derived Carbon (CDC) Films on Silicon Carbide
| périodique = Tribology Letters
| volume = 15
| numéro =
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| mois = juillet
| année = 2003
| pages = 51-55
| url texte = https://link.springer.com/article/10.1023/A:1023508006745
| consulté le = 10 octobre 2020
| doi = 10.1023/A:1023508006745
| pmid =
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=== Absorption de protéines ===

Les matériaux en carbone dérivé de carbures avec une structure mésoporeuse permettent de prélever des [[macromolécule]]s de [[Liquide biologique|liquides biologiques]]. Ils sont de surcroît [[Biocompatibilité|biocompatibles]]<ref name="10.1016/j.biomaterials.2006.07.019">
{{Article
| langue = en
| nom1 = Gleb Yushin, Elizabeth N. Hoffman, Michel W. Barsoum, Yury Gogotsi, Carol A. Howell, Susan R. Sandeman, Gary J. Phillips, Andrew W. Lloyd et Sergey V. Mikhalovsky
| titre = Mesoporous carbide-derived carbon with porosity tuned for efficient adsorption of cytokines
| périodique = Biomaterials
| volume = 27
| numéro = 34
| jour =
| mois = décembre
| année = 2006
| pages = 5755-5762
| url texte = https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961206006430
| consulté le = 10 octobre 2020
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}}</ref>. Ils peuvent ainsi absorber des [[cytokine]]s du [[plasma sanguin]], comme le [[Facteur de nécrose tumorale|{{nobr|TNF α}}]], l'[[interleukine 6]] et l'[[Interleukine 1 bêta|interleukine 1β]]. Ces molécules de [[signalisation cellulaire]] jouent un rôle déterminant dans la réponse [[Système immunitaire|immunitaire]] aux [[infection]]s comme agents [[Inflammation|inflammatoires]], et sont susceptibles d'entraîner des [[Complication (médecine)|complications]] telles qu'un [[sepsis]], d'où l'intérêt de pouvoir les prélever<ref name="10.1016/j.biomaterials.2010.02.054">
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| langue = en
| nom1 = Saujanya Yachamaneni, Gleb Yushin, Sun-Hwa Yeon, Yury Gogotsi, Carol Howell, Susan Sandeman, Gary Phillips et Sergey Mikhalovsky
| titre = Mesoporous carbide-derived carbon for cytokine removal from blood plasma
| périodique = Biomaterials
| volume = 31
| numéro = 18
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| mois = juin
| année = 2010
| pages = 4789-4794
| url texte = https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961210003005
| consulté le = 10 octobre 2020
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| pmid = 20303167
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}}</ref>. Le taux et la vitesse de prélévement de ces cytokines — de 85 à 100 % en moins de {{unité|30|minutes}} — sont meilleurs que ceux obtenus avec un [[charbon actif]] comparable<ref name="10.1016/j.biomaterials.2010.02.054"/>.


== Notes et références ==
== Notes et références ==


{{Références}}
{{Références nombreuses|taille=30}}


{{Portail|chimie|matériaux}}
{{Portail|chimie|matériaux}}

Version du 10 octobre 2020 à 21:00

Le carbone dérivé de carbures, ou CDC, est une désignation générique pour les matériaux carbonés issus de carbures précurseurs, qu'ils soient binaires, comme le carbure de silicium SiC et le carbure de titane TiC, ou ternaires, comme les phases MAX Ti2AlC et Ti3SiC2[1],[2],[3],[4]. Des matériaux CDC ont également été produits à partir de céramiques issues de polymères comme Si–O–C et Ti–C, et de carbonitrures comme Si–N–C[5],[6],[7]. De tels matériaux peuvent présenter des structures très variables, aussi bien amorphe que cristallisée, avec des hybridations sp2 et sp3, ainsi qu'une texture fortement poreuse ou bien entièrement compacte. On ainsi ainsi pu obtenir du carbone microporeux (en) (pores de diamètre inférieur ou égal à 2 nm) et mésoporeux (pores de diamètre compris entre 2 et 50 nm), du carbone amorphe, des nanotubes de carbone, des nanodiamants (en), du graphène et du graphite[1]. Parmi les matériaux carbonés, les CDC présentent les surfaces spécifiques parmi les plus élevées, pouvant atteindre 3 000 m2/g[8]. Il est possible d'obtenir des structures microporeuses et mésoporeuses dont la taille et la distribution des pores peuvent être contrôlées avec une précision inférieure à l'ångström en faisant varier le type de précurseur et les conditions opératoires de la synthèse des CDC[9]. Cette capacité à ajuster précisément la taille et la forme des pores rend les CDC intéressants pour développer des applications impliquant la sorption sélective de liquides ou de gaz comme l'hydrogène H2, le méthane CH4 ou le dioxyde de carbone CO2, tandis que la conductivité électrique et la stabilité électrochimique élevées de ces matériaux les rendent intéressants pour des applications de stockage de l'énergie électrique et de dessalement capacitif (en) de l'eau.

Plusieurs termes ont été employés pour désigner les CDC, comme « carbone minéral » ou « carbone nanoporeux »[10]. Le terme carbide-derived carbon a été introduit au début du XXIe siècle afin de souligner la nature des précurseurs de ces matériaux[9]. Ainsi, les CDC issus du carbure de silicium SiC ont été désignés comme SiC-CDC, Si-CDC ou SiCDC. Depuis les années 2010, la recommandation est d'indiquer le précurseur dans la nomenclature, comme B4C-CDC, Ti3SiC2-CDC, W2C-CDC, etc.[1].

Synthèse

Les CDC peuvent être produits à l'aide de diverses méthodes de synthèse chimique et physique. La plus courante de ces méthodes fait intervenir l'attaque à sec des atomes de métal ou de métalloïde des carbures précurseurs par le chlore Cl2, ce qui ne laisse que les atomes de carbone dans le matériau[1]. Le terme traitement au chlore doit être préféré à celui de chloration car le chlorure de métal produit est le sous-produit à éliminer tandis que le carbone lui-même demeure largement intact. La gravure hydrothermale a également été utilisée pour la production de SiC-CDC permettant d'obtenir des films de carbone poreux et de nanodiamants (en)[11],[12].

Traitement au chlore

Le traitement le plus courant pour produire des matériaux carbonés poreux à partir de carbures fait intervenir la gravure à haute température par des halogènes, le plus souvent du chlore Cl2. L'équation chimique générique suivante décrit la réaction d'un carbure de métal (M = Si, Ti, Vetc.) avec le chlore :

MC (solide) + 2 Cl2 (gaz)MCl4 (gaz) + C (solide).

Le traitement aux halogènes à des températures comprises entre 200 et 1 000 °C donne essentiellement du carbone poreux désordonné avec une porosité comprise entre 50 et 80 % du volume selon le précurseur. Des températures supérieures à 1 000 °C donnent essentiellement du carbone graphite avec une contraction du matériau en raison de sa graphitisation.

Le taux de croissance linéaire de la phase carbonée suggère un mécanisme dont la cinétique est limitée par la réaction mais qui devient limitée par la diffusion pour les couches plus épaisses ou les particules plus grosses. Les conditions à flux de gaz élevés, permettant l'élimination rapide des chlorures formés, permet de déplacer l'équilibre de la réaction vers la formation du CDC. Ce type de procédé a permis de produire des matériaux carbonés à partir d'un grand nombre de précurseurs carbonés comme SiC, TiC, B4C, BaC2, CaC2, Cr3C2 (en), Fe3C, Mo2C, Al4C3, Nb2C, SrC2, Ta2C, VC, WC, W2C, ZrC, des carbures ternaires comme les phases MAX Ti2AlC, Ti3AlC2 et Ti3SiC2, et des carbonitrures comme Ti2AlC0,5N0,5.

La plupart des CDC produits présentent essentiellement des micropores (de moins de 2 nm de diamètre) et des mésopores (de diamètre compris entre 2 et 50 nm) avec une distribution dépendant du précurseur utilisé et des conditions de synthèse[1]. La structure cristalline initiale du carbure est le principal facteur déterminant la porosité du matériau carboné obtenu par traitement au chlore, surtout à basse température. D'une manière générale, plus les atomes de carbone sont distants les uns des autres dans le réseau cristallin du carbure précurseur, plus la taille des pores dans le CDC obtenu à partir de ce carbure est grande[13]. Le diamètre moyen des pores croît et la distribution de la taille des pores s'élargit lorsque la température de synthèse augmente[9]. La forme et la géométrie générale de la pièce de carbure précurseur sont en revanche largement conservées[1].

Décomposition sous vide

Les atomes de métal ou de métalloïde des carbures peuvent être sélectivement extraits du matériau sous vide à haute température, généralement à plus de 1 200 °C. Le mécanisme repose sur la sublimation incongruente des carbures du fait du point de fusion élevé du carbone par rapport au point de fusion des métaux des carbures qui peuvent fondre et s'évaporer en laissant un dépôt de carbone pur. Ce mode opératoire permet d'obtenir des matériaux carbonés plus ordonnés, et donc de former des nanotubes de carbone et du graphène. La décomposition sous vide de carbure de silicium SiC a ainsi permis d'obtenir des films à forte densité de nanotubes de carbone alignés verticalement[14]. La forte densité de tubes se traduit par un module d'élasticité élevé et une bonne résistance au flambage, ce qui confère à ces structures un intérêt particulier pour les applications mécaniques et tribologiques[15].

Les nanotubes de carbone se forment lorsque des traces d'oxygène O2 sont encore présentes dans l'atmosphère, tandis que le graphène se forme dans les conditions d'un vide poussé, de l'ordre de 10–6 à 10–8 Pa. Si ces conditions sont maintenues, le graphène se transforme en graphite massif. En particulier, le recuit sous vide de monocristaux de carbure de silicium de 1 200 à 1 500 °C[16] permet l'élimination sélective des atomes de silicium en laissant de une à trois couches de graphène (selon la durée du traitement) résultant de la conversion de trois couches de carbure de silicium en une couche de graphène[17]. Par ailleurs, le graphène se forme préférentiellement sur la face Si des cristaux de SiC α (6H) tandis que les nanotubes croissent préférentiellement sur la face C du SiC[14].

Décomposition hydrothermale

L'élimination des atomes de métal des carbures est également possible à température modérée (300 à 1 000 °C et à haute pression (2 à 200 MPa). Les réactions suivantes sont possibles dans ces conditions entre les carbures de métaux et l'eau :

MC + x H2OMOx + C + x H2 ;
MC + (x + 1) H2OMOx + CO + (x + 1) H2 ;
MC + (x + 2) H2OMOx + CO2 + (x + 2) H2 ;
x2 MC + x H2OMx2Ox + x2 CH4.

Seule la première réaction donne du carbone solide. La formation de carbone solide décroît lorsque la pression augmente mais croît lorsque la température augmente. La possibilité de produire un matériau carboné poreux utilisable dépend de la solubilité de l'oxyde formé, comme le dioxyde de silicium SiO2, dans l'eau supercritique. Ce procédé a été utilisé avec le carbure de silicium SiC, le carbure de titane TiC, le carbure de tungstène WC, le carbure de tantale TaC et le carbure de niobium NbC. Le manque de solubilité de certains oxydes de métaux, comme le dioxyde de titane TiO2, est un problème important pour le traitement de certains carbures de métaux, comme le Ti3SiC2[1],[18].

Applications industrielles

Les matériaux en carbone dérivés de carbures sont utilisés comme couche active dans les supercondensateurs en raison de leur bonne conductivité électrique associée à leur surface spécifique élevée[19], le volume important de leurs micropores[13], et la possibilité de contrôler le diamètre de leurs pores[20], ce qui permet d'ajuster les caractéristiques de la porosité des électrodes carbonées aux caractéristiques de l'électrolyte employé[21]. En particulier, la capacité augmente significativement lorsque la taille des pores s'approche de celle des ions désolvatés de l'électrolyte. La conductivité électrique du matériau carboné limite les pertes par résistance des supercondensateurs tout en accroissant le confinement des charges électriques[22] et en maximisant la densité et la capacité de stockage de charge électrique des électrodes en carbone dérivé de carbures[23].

Les électrodes en carbone dérivé de carbures présentent une capacité gravimétrique pouvant atteindre 190 F/g dans les électrolytes aqueux et 180 F/g dans les électrolytes organiques[21]. Les capacités les plus élevées ont été observées pour les systèmes dans lesquels le diamètre des ions de l'électrolyte et le diamètre des pores des électrodes s'accordent[24]. Les pores de petite taille, notamment lorsqu'ils sont associés à des particules de grande taille, ont pour effet de réduire la mobilité des ions par limitation de diffusion lors des cycles de charge. La prédominance de mésopores dans les structures en carbone dérivé de carbures favorise la diffusion des ions au cours des cycles de charge[25], tandis que l'utilisation de nanoparticules de carbures précurseurs conduit à des matériaux ayant des alignements de pores plus courts, d'où des vitesses de charge et de décharge plus élevées ainsi qu'une densité de stockage améliorée[26].

Applications expérimentales

Stockage de l'hydrogène

Les matériaux en carbone dérivé de carbure de titane (TiC-CDC) activés à l'hydroxyde de potassium KOH ou au dioxyde de carbone CO2 peuvent stocker jusqu'à 21 % massique de méthane CH4 à 25 °C sous pression. Les matériaux CDC à pores subnanométriques de l'ordre de 0,50 à 0,88 nm de diamètre peuvent stocker le CO2 jusqu'à 7,1 mol/kg à °C sous 1 bar[27]. Les matériaux CDC peuvent également stocker jusquà 3 % massique d'hydrogène H2 à −196 °C sous 60 bar, valeur qui peut être améliorée par activation chimique ou physique de ces matériaux. Les matériaux en carbone dérivé d'oxycarbure de silicium SiOC avec des volumes importants de pores subnanométriques sont capables de stocker plus de 5,5 % massique d'hydrogène ) −196 °C sous 60 bar. Il est possible d'obtenir des densités de stockage de méthane de plus de 21,5 % massique pour ce type de matériaux, la prédominance de pores de taille subnanométrique offrant des volumes importants étant un paramètre déterminant dans cette optique[28].

Revêtements tribologiques

Les couches minces en carbone dérivé de carbures obtenues par recuit sous vide ou par traitement au chlore de céramiques en carbure de silicium SiC présentent un faible coefficient de frottement. Le coefficient de friction du SiC, qui est largement utilisé pour les applications tribologiques en raison de sa dureté et de sa résistance élevées, peut ainsi passer de l'ordre de 0,7 à environ 0,2 voire moins en milieu sec[29] ; ce résultat est d'autant plus intéressant que le graphite n'est pas utilisable en milieu sec. Le réseau poreux tridimensionnel des matériaux CDC permet une ductilité élevée et une résistance mécanique améliorée, ce qui limite les fractures des couches minces sous l'effet d'une contrainte. Les paramètres de friction peuvent être encore améliorés par recuit à l'hydrogène à haute température et passivation des liaisons pendantes par des atomes d'hydrogène[30].

Absorption de protéines

Les matériaux en carbone dérivé de carbures avec une structure mésoporeuse permettent de prélever des macromolécules de liquides biologiques. Ils sont de surcroît biocompatibles[31]. Ils peuvent ainsi absorber des cytokines du plasma sanguin, comme le TNF α, l'interleukine 6 et l'interleukine 1β. Ces molécules de signalisation cellulaire jouent un rôle déterminant dans la réponse immunitaire aux infections comme agents inflammatoires, et sont susceptibles d'entraîner des complications telles qu'un sepsis, d'où l'intérêt de pouvoir les prélever[32]. Le taux et la vitesse de prélévement de ces cytokines — de 85 à 100 % en moins de 30 minutes — sont meilleurs que ceux obtenus avec un charbon actif comparable[32].

Notes et références

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