Brevet FR3008702A1 — publié le 20150123

PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU CARBONE AROMATIQUE PAR VOIE HYDROTHERMALE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention a trait à un procédé de préparation d'un matériau carboné aromatique se présentant sous forme particulaire par voie hydrothermale impliquant l'utilisation d'un additif spécifique. De par sa destination, à savoir la préparation d'un matériau carboné aromatique, le procédé de l'invention peut trouver application, dans d'innombrables domaines, qu'ils relèvent du domaine de la vie courante ou du domaine industriel, et peut trouver application plus particulièrement dans les domaines suivants : -le domaine du stockage d'énergie, dans lequel le matériau carboné peut être utilisé, par exemple, pour entrer dans la constitution des électrodes de batteries au lithium ou des électrodes de supercapacités ; -le domaine de la catalyse, dans lequel le matériau carboné peut être utilisé, éventuellement après fonctionnalisation, pour entrer dans la constitution de catalyseurs, et plus particulièrement, de catalyseurs des réactions se produisant au niveau de piles à combustible ; -le domaine de la chromatographie, dans lequel le matériau carboné peut être utilisé comme phase stationnaire d'une colonne de chromatographie ; -le domaine de l'extraction d'ions, dans lequel le matériau carboné peut être utilisé, éventuellement après fonctionnalisation, pour extraire d'un milieu liquide un ou plusieurs ions d'intérêt, en vue notamment de purifier ledit milieu liquide, le processus d'extraction étant ainsi un processus d'extraction biphasique solide-liquide ; et -le domaine du piégeage de molécules organiques présentes dans un milieu liquide, dans lequel le matériau carboné peut être utilisé comme matériau séquestrant desdites molécules. Compte tenu de ses multiples domaines d'application, les matériaux carbonés ont fait l'objet de nombreuses études, en vue de pouvoir les synthétiser en grande quantités. Ainsi, une des voies synthèses la plus communément explorée depuis de nombreuses années est la carbonisation classique, également dénommée pyrolyse, à partir de matériaux précurseurs carbonés et/ou organiques, ces matériaux précurseurs pouvant être issus d'un panel de sources très large, tel que la biomasse animale ou végétale, des polymères hydrycarbonés, tels que des polymères thermodurcissables, des polyacrylonitriles, des polyimides (tels que décrit dans Blazso et al., Recent trends in analytical and applied pyrolysis of polymers, Journal of Analytical and Applied Pyrolisis, 1997, vol.39) . Les matériaux précurseurs subissent, au cours de la pyrolyse, un traitement thermique dans une atmosphère dénuée ou appauvrie en oxygène, ce qui se traduit par une dégradation dudit matériau et, de façon concomitante une élimination des composés volatils ainsi formés, moyennant quoi le matériau résultant s'enrichit de plus en plus en carbone, au fur et à mesure de l'avancement de la pyrolyse. De manière plus spécifique, la conversion d'un matériau précurseur tel que défini ci-dessus en matériau carboné par pyrolyse se traduit par plusieurs phases, qui se déroulent, généralement, de la manière suivante : -une phase initiale de décomposition thermique du matériau précurseur, conduisant à l'élimination des hétéroatomes sous la forme d'espèces volatiles, telles que CO2, CO, H20 ; -une phase concomitante de formation d'un réseau carboné par réarrangement via des réactions successives de condensation/déshydratation, ce qui se traduit par une augmentation du degré d'aromatisation (par exemple, par la formation de structures intermédiaires du type polyaromatiques), ce réseau étant caractérisé par un degré de microporosité assez important, généralement attribué au vide présent entre les structures intermédiaires du type polyaromatiques ; -une phase d'élimination de la microporosité à des températures élevées (notamment, des températures supérieures à 800°C), due à la formation de liaisons de réticulation entre les structures intermédiaires polyaromatiques ; et -une phase de transformation (typiquement à une température au-delà de plusieurs milliers de degrés) de tout ou partie des structures intermédiaires polyaromatiques en structures carbonisées comprenant des microcristallites, telles que des structures graphitiques ou des structures amorphes rigides, l'obtention de ces structures étant tributaire de la nature du matériau de départ. Bien que la pyrolyse présente l'avantage de pouvoir traiter de grandes quantités de matériau carboné à partir de précurseurs de natures diverses, elle présente toutefois, d'une part, l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'un four à atmosphère contrôlée (notamment, une atmosphère appauvrie ou dénuée en oxygène) et, d'autre part, l'inconvénient de ne pas pouvoir contrôler efficacement la structure et la morphologie des matériaux obtenus, et ce notamment, en raison des très fortes températures utilisées pour la mise en oeuvre de la pyrolyse. En vue de pallier les inconvénients liés, entre autres, à l'utilisation de températures très élevées, il a été mis en avant plus récemment une technique de préparation de matériau carboné, qui est la carbonisation hydrothermale, les matériaux carbonés issus de ce type de carbonisation pouvant être dénommés ainsi matériaux carbonés hydrothermaux. La préparation des matériaux carbonés hydrothermaux est inspirée des travaux de Bergius et ses collègues exposés en 1928, lesquels ont mis en avant la transposition, à l'échelle du laboratoire, du processus de transformation géologique de composés carbohydrates en charbon via une carbonisation hydrothermale. Pour ce faire, l'expérience a été conduite en utilisant un milieu aqueux comprenant de la biomasse végétale (bois, herbe et tourbe), qui a été porté à des températures s'échelonnant de 250°C à 300°C pendant deux à trois jours. Eu égard aux températures relativement modérées induisant une dépense énergétique moindre et à l'utilisation d'un solvant (en l'occurrence, l'eau) présentant une inocuité totale vis-à-vis de l'environnement, il était d'une parfaite cohérence que cette technique séduise, à l'aube des années 2000, les chercheurs voulant synthétiser des matériaux carbonés, et plus spécifiquement des matériaux carbonés particulaires, en vue du spectre d'applications très large de ces matériaux. Plus spécifiquement, la préparation de matériaux carbonés particulaires par carbonisation hydrothermale est réalisée en utilisant des précurseurs carbonés hydrosolubles, plus particulièrement des composés du type carbohydrates (par exemple, du glucose, du saccharose, du fructose, de l'amidon, de la cellulose) ou leurs dérivés ou une biomasse riche en ces composés. Ces précurseurs sont placés dans un milieu aqueux, ledit milieu étant ensuite traité en autoclave à des températures modérées (généralement, des températures inférieures à 250°C) et à pression autogène jusqu'à formation du matériau carboné souhaité. D'un point de vue mécanistique, la carbonisation hydrothermale repose sur une réaction initiale de déshydratation des composés carbohydrates pour former de l'hydroxyméthylfurfural suivie de réactions en cascade comprenant des réactions d'ouverture de cycles, de substitutions, de cycloadditions et de polycondensations pour former le matériau carboné final se présentant sous forme de particules généralement sphériques. Cette technique a été notamment explorée par Wang et al. (Carbon, 2001, vol.39, 2211-2214), avec toutefois les limitations suivantes : -une difficulté à contrôler la morphologie des matériaux obtenus ; -une difficulté à obtenir, en fonction des conditions opératoires, des matériaux présentant un large panel de tailles de particules, ces dernières se centrant généralement autour de 1,5 um, ce qui exclut l'utilisation de ces matériaux pour des 2 0 applications nécessitant des matériaux à tailles de particules plus importantes. Au vu de ce qui existe, les inventeurs se sont fixé pour objectif de proposer un procédé de préparation d'un matériau carboné sous forme particulaire, et plus précisément pouvant se présenter sous forme sphérique, lequel matériau obtenu par ce procédé se caractérise par une taille moyenne de particules pouvant aller de 3 à 8 um 25 et présentant un caractère monodisperse. EXPOSÉ DE L'INVENTION Les auteurs de la présente invention ont découvert, de manière surprenante, qu'en ajoutant au mélange aqueux, un additif spécifique, il est possible d'obtenir un matériau carboné aromatique sous forme particulaire présentant une taille moyenne de particules plus importante, tout en ayant un caractère monodisperse. Ainsi, l'invention a trait à un procédé de préparation d'un matériau carboné aromatique se présentant sous forme de particules comprenant une étape de carbonisation hydrothermale d'un mélange aqueux comprenant au moins un composé carbohydrate, caractérisé en ce que ledit mélange aqueux comprend, en outre, au moins un sel de formule AX, dans laquelle A représente un cation alcalin et X représente un anion halogénure. Conformément à l'invention, le composé carbohydrate peut être un composé monosaccharidique, disaccharidique ou polysaccharidique. A titre d'exemples de composés monosaccharidiques, on peut citer le glucose, le fructose, le xylose et les mélanges de ceux-ci. A titre d'exemples de composés disaccharidiques, on peut citer le saccharose, le maltose, le lactose et les mélanges de ceux-ci. A titre d'exemples de composés polysaccharidiques, on peut citer l'amylose, l'amidon, la cellulose et les mélanges de ceux-ci. Avantageusement, le composé carbohydrate peut être du glucose. Le ou les composés carbohydrates peuvent être compris, avantageusement, dans le mélange aqueux, à raison d'une concentration allant de 10 à 1000 g/L. Par exemple, lorsque le composé carbohydrate utilisé est du glucose, celui-ci peut être compris dans le mélange aqueux à raison d'une concentration allant de 0,2 M à 1 M. Comme mentionné ci-dessus, le mélange aqueux comprend également un sel de formule AX, dans laquelle A représente un cation alcalin et X représente un anion halogénure. Plus spécifiquement, le sel peut être un chlorure d'élément alcalin, un fluorure d'élément alcalin et/ou un iodure d'élément alcalin. Encore plus spécifiquement, le sel peut être du chlorure de sodium, de l'iodure de sodium, du fluorure de sodium, du chlorure de césium et des mélanges de ceux-ci. Un mélange particulièrement approprié peut être un mélange de chlorure de sodium et de fluorure de sodium, avec des proportions de chlorure de sodium par rapport au fluorure de sodium supérieures ou égales à 5. Le sel de formule AX peut être compris dans le mélange aqueux à raison d'une concentration pouvant aller de 0,25 M à 2M. Le mélange aqueux est amené à subir, conformément à l'invention, une étape de carbonisation hydrothermale, soit en d'autres termes une étape de chauffage dans des conditions douces en termes de températures et pendant une durée efficace pour obtenir la conversion du ou des composés carbohydrates en un matériau carboné aromatique particulaire. Plus particulièrement, cette étape de carbonisation hydrothermale peut être réalisée, par exemple, dans un autoclave, à une température allant de 150 à 250°C, par exemple, pendant une durée allant de 4 heures à 48 heures. A l'issue de cette étape de carbonisation hydrothermale, le procédé de l'invention peut comprendre une étape d'isolement, par exemple, par filtration, du produit obtenu suivie d'une étape de séchage, moyennant quoi le produit obtenu se présente sous forme d'un matériau particulaire (ou poudre). D'un point de vue structural, le matériau carboné particulaire obtenu selon le procédé de l'invention est un matériau carboné aromatique et, plus spécifiquement un matériau carboné consistant en un matériau polymérique aromatique comprenant : -une ou plusieurs unités monoaromatiques, telles que des unités fura nes ; et/ou -une ou plusieurs unités polyaromatiques (à savoir, résultant de la condensation de plusieurs noyaux aromatiques). D'un point de vue analytique, un tel matériau comprend du carbone, de l'hydrogène, voire de l'oxygène et un ou plusieurs éléments dopants, tels que N, S et/ou P. Plus précisément, un tel matériau peut comprendre : -du carbone à hauteur d'au moins 60% en masse par rapport à la masse totale du matériau, et plus préférentiellement plus de 70% en masse par rapport à la masse totale du matériau ; et éventuellement -de l'oxygène à hauteur de moins de 40% en masse de la masse totale du matériau, et plus préférentiellement de moins de 30% en masse de la masse totale du matériau ; et éventuellement -un ou plusieurs éléments dopants tels que définis ci-dessus à hauteur de moins de 1% chacun, en masse par rapport à la masse totale du matériau. D'un point de vue morphologique, il peut se présenter sous forme d'une poudre dont les particules présentent une taille moyenne de particules pouvant aller de 3 à 8 um et présentent, avantageusement, une forme sphérique. Le procédé de l'invention peut comprendre, en outre, après l'étape de carbonisation thermique et, de préférence, après l'étape d'isolement susmentionnée, une étape de chauffage consistant à chauffer le matériau obtenu à une température allant de 350°C à 850°C sous une atmosphère comprenant un gaz neutre (tel que de l'azote, de l'argon) ou comprenant un gaz réducteur éventuellement en mélange avec un gaz neutre (tel que H2, éventuellement en mélange avec de l'azote ou de l'argon). Une telle étape permet d'obtenir un matériau présentant une teneur en carbone plus élevée, de réduire ainsi la teneur en oxygène et/ou d'augmenter le degré d'aromatisation (ou de graphitisation) du matériau tout en conservant sa macrostructure. Le matériau peut ainsi se rapprocher d'un carbone turbostratique. A l'issue de cette étape de chauffage, le cas échéant, le procédé peut comprendre une étape d'isolement par exemple, par filtration, du produit obtenu suivie d'une étape de séchage, moyennant quoi le produit obtenu se présente sous forme d'un matériau particulaire (ou poudre). Grâce à ce caractère particulaire et granulométrie préférentielle susmentionnée (de 3 à 8 um), c'est donc tout naturellement que les matériaux de l'invention peuvent trouver application dans les domaines, où les propriétés d'écoulement du matériau doivent être maîtrisées, tels que : -la chromatographie et plus spécifiquement pour constituer la phase stationnaire d'une colonne de chromatographie, par exemple, pour les analyses effectuées par chromatographie HPLC ; -la catalyse, notamment pour constituer des catalyseurs destinés à être utilisés sous forme d'un lit fixe ou d'un lit fluidisé. D'autres caractéristiques apparaîtront mieux à la lecture du complément de description qui suit, lequel se rapporte à des exemples de fabrication d'un matériau carboné conforme à l'invention. Bien entendu, les exemples qui suivent ne sont donnés qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne constituent, en aucun cas, une limitation de cet objet. BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE UNIQUE La figure unique illustre trois photographies obtenues par microscopie à balayage électronique pour le matériau obtenu à l'exemple comparatif 1 (photographie de gauche) et pour matériau obtenu à l'exemple 1 (photographie centrale et photographie de droite). EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la préparation d'une poudre d'un matériau carboné conformément au procédé de l'invention, les particules constitutives de cette poudre présentant une forme sphérique. Pour ce faire, on place, dans un autoclave, 3 g de glucose avec 30 mL d'une solution de chlorure de sodium et de fluorure de sodium à 0,5 M (respectivement 5:1 pour NaCI :NaF) et on place le tout à 180°C pendant 24 heures. Le produit est ensuite filtré au moyen d'un filtre Büchner, puis est lavé et séché à 80°C. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant des particules ayant une taille moyenne de particules de 5,3 um (écart-type de 0,9) (illustré par les photographies centrale et de droite de la figure unique), ce qui constitue une granulométrie compatible avec les applications telles que la chromatographie, et plus spécifiquement, la chromatographie HPLC. EXEMPLE 2 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de chlorure de sodium (0,25 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 4,9 um (écart-type de 1,5). EXEMPLE 3 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de chlorure de sodium (0,5 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 5,1 um (écart-type de 1,7). EXEMPLE 4 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de chlorure de sodium (1 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 4,9 um (écart-type de 1,9).30 EXEMPLE 5 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de chlorure de sodium (2 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 7,8 um (écart-type de 1,8). EXEMPLE 6 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de iodure de sodium (0,5 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 4,1 um (écart-type de 2,0). EXEMPLE 7 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de chlorure de césium (0,5 M). Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 5,6 um (écart-type de 1,8). EXEMPLE 8 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de NaCI-NaF (0,5 M) (respectivement 9 :1 pour NaCI :NaF) Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 4,2 um (écart-type de 2,2).30 EXEMPLE 9 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1, si ce n'est que la solution utilisée est une solution de NaCI-NaF (0,5 M) (respectivement 95% de NaCI pour 5% de NaF) Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 5,9 um (écart-type de 1,9). EXEMPLE COMPARATIF 1 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1 en termes de quantité de glucose, de volume de solution, de température de chauffage et de durée de chauffage, si ce n'est que la solution saline est remplacée uniquement par de l'eau. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 0,44 um (écart-type de 0,2) (illustré par la photographie de gauche de la figure unique). Il ressort que l'absence de sel conformément à l'invention a pour conséquence que la taille de particules obtenue est substantiellement moins élevée (d'un facteur de l'ordre ou supérieur à 10 par rapport aux exemples 1-6 réalisés conformément à l'invention). EXEMPLE 10 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 3, si ce n'est que la quantité de glucose utilisé est de 1 g. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 3,4 um (écart-type de 1,0). EXEMPLE COMPARATIF 2 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 10 en termes de quantité de glucose, de volume de solution, de température de chauffage et de durée de chauffage, si ce n'est que la solution saline est remplacée uniquement par de l'eau. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 0,76 um (écart-type de 0,7). Il ressort que l'absence de sel conformément à l'invention a pour conséquence que la taille de particules obtenue est substantiellement moins élevée (d'un facteur de l'ordre de 5 par rapport à l'exemple 10 conforme à l'invention). EXEMPLE 11 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 3, si ce n'est que la quantité de glucose utilisé est de 5 g. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 6,0 um (écart-type de 2,7). EXEMPLE COMPARATIF 3 Cet exemple est réalisé dans des conditions similaires à celles de l'exemple 11 en termes de quantité de glucose, de volume de solution, de température de chauffage et de durée de chauffage, si ce n'est que la solution saline est remplacée uniquement par de l'eau. Le matériau final se présente sous forme d'une poudre présentant une taille moyenne de particules de 0,63 um (écart-type de 0,1). Il ressort que l'absence de sel conformément à l'invention a pour conséquence que la taille de particules obtenue est substantiellement moins élevée (d'un facteur de l'ordre de 10 par rapport à l'exemple 11 conforme à l'invention). 30 REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un matériau carboné aromatique sous présentant sous forme de particules comprenant une étape de carbonisation hydrothermale d'un mélange aqueux comprenant au moins un composé carbohydrate, caractérisé en ce que ledit mélange aqueux comprend, en outre, au moins un sel de formule AX, dans laquelle A représente un cation alcalin et X représente un anion halogénure. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le composé carbohydrate est un composé monosaccharidique, un composé disaccharidique ou un composé polysaccharidique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composé carbohydrate est un composé monosaccharidique choisi parmi le glucose, le xylose et les mélanges de ceux-ci. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé carbohydrate est le glucose. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composé carbohydrate est un composé disaccharidique choisi parmi le saccharose, le maltose, le lactose et les mélanges de ceux-ci. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composé polysaccharidique est choisi parmi l'amylose, l'amidon, la cellulose et les mélanges de ceux-ci. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou les composés carbohydrates sont compris dans le mélange aqueux, à raison d'une concentration allant de 10 à 1000 g/L. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le composé carbohydrate utilisé est du glucose, celui-ci est compris dans le mélange aqueux à raison d'une concentration allant de 0,2 M à 1 M. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le sel est un chlorure d'élément alcalin, un fluorure d'élément alcalin et/ou un iodure d'élément alcalin. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le sel est du chlorure de sodium, de l'iodure de sodium, du fluorure de sodium, du chlorure de césium et des mélanges de ceux-ci. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le sel de formule AX est compris dans le mélange aqueux à raison d'une concentration allant de 0,25 M à 2M. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de carbonisation hydrothermale est réalisée à une température allant de 150 à 250°C, par exemple, pendant une durée allant de 4 heures à 48 heures. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, après l'étape de carbonisation hydrothermale, une étape de chauffage consistant à chauffer le matériau obtenu à une température allant de 350°C à 850°C sous une atmosphère comprenant un gaz neutre ou comprenant un gaz réducteur éventuellement en mélange avec un gaz neutre.30 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau carboné aromatique consiste en un matériau polymérique aromatique comprenant : -une ou plusieurs unités monoaromatiques, telles que des unités furanes ; et/ou -une ou plusieurs unités polyaromatiques (à savoir, résultant de la condensation de plusieurs noyaux aromatiques). 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau carboné aromatique comporte du carbone à hauteur d'au moins 60% en masse par rapport à la masse totale du matériau, et plus préférentiellement plus de 70% en masse par rapport à la masse totale du matériau. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau carboné aromatique se présente sous forme d'une poudre dont les particules présentent une taille moyenne de particules allant de 3 à 8 um.20