Les carbures (MAX) et borures (MAB) de métaux de transition sont des solides nanolamellaires qui combinent la dureté céramique avec la conductivité métallique. Depuis la découverte des MXènes par Naguib et al.[1] en 2011, grâce à la gravure sélective des phases MAX parentes, plus de 30 compositions de MXènes ont été rapportées, présentant des applications prometteuses dans le stockage d’énergie et la catalyse. Des efforts parallèles visent à prédire et à obtenir des analogues 2D, les MBènes, à partir des phases MAB. Cependant, les méthodes classiques de gravure humide reposent sur des acides et bases concentrés dangereux (par ex. HF, HCl, NaOH), ce qui soulève d’importantes préoccupations en matière de sécurité et de mise à l’échelle. La gravure en sels fondus utilisant des halogénures métalliques (par ex. CuCl₂, ZnCl₂) a émergé comme une alternative plus sûre et évolutive, permettant un éventail plus large de terminaisons de surface (-Cl, -Br, -I) inaccessibles par les voies basées sur le HF. De plus, la synthèse de ces matériaux 2D repose principalement sur des précurseurs en poudre, ce qui limite l’étude de leurs propriétés fondamentales en raison d’un contrôle structurel restreint et d’une forte hétérogénéité.

Dans cette thèse, nous utilisons des monocristaux et poudres de MoAlB (phase MAB) et de V₂AlC (phase MAX) afin d’explorer leur conversion par gravure en sels fondus, et d’investiguer leurs propriétés structurales, électroniques et électrochimiques. Pour MoAlB, nous démontrons la gravure d’une seule couche d’Al afin d’obtenir des monocristaux millimétriques de Mo₂AlB₂. La spectroscopie Raman polarisée révèle une anisotropie vibrationnelle après conversion, tandis que les mesures de transport montrent une résistivité réduite pour Mo₂AlB₂ (0,53 µΩ·m) comparée à celle de MoAlB (1,21 µΩ·m), en accord avec la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ceci est particulièrement remarquable compte tenu du caractère probablement plus désordonné des cristaux convertis de Mo₂AlB₂. Ces comparaisons mettent en évidence les propriétés de transport supérieures de Mo₂AlB₂, le positionnant parmi les phases MAB les plus conductrices rapportées à ce jour. Les études d’exfoliation de poudres suggèrent un mécanisme par étapes via des intermédiaires métastables (Mo₂AlB₂, Mo₄Al₃B₄ et une structure 2D), la DRX montrant une expansion interplanaire et la MEB révélant un élargissement lamellaire.

Pour les monocristaux de V₂AlC, la gravure en sels fondus a conduit préférentiellement à du V₂C 3D plutôt qu’à du V₂C 2D, suivie d’une conversion en VC 3D. Les analyses structurales ont confirmé des caractéristiques nanolamellaires étendues, analogues à celles des MXènes. Cette voie de transformation a été reproduite dans des poudres de V₂AlC sous conditions optimisées. Des caractérisations détaillées ont révélé que nous avons conservé une structure lamellaire élargie dans les phases V₂C et VC obtenues à partir du précurseur V₂AlC. Des caractérisations électrochimiques poussées ont été réalisées en utilisant une phase VC convertie en matériau cathodique dans des batteries aqueuses à ions zinc. Elle a délivré une capacité spécifique élevée de 210 mAh·g⁻¹ à 5 A·g⁻¹, en conservant 55 % de sa capacité après 2000 cycles. Elle présente une stabilité cyclique supérieure à celle d’autres carbures et oxydes à base de vanadium rapportés dans la littérature.

 

Reference:

[1]       M. Naguib, M. Kurtoglu, V. Presser, J. Lu, J. Niu, M. Heon, L. Hultman, Y. Gogotsi, M.W. Barsoum, Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2, Advanced Materials 23 (2011) 4248–4253. https://doi.org/10.1002/adma.201102306.
 

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