Conclusion

Les MXènes constituent une nouvelle famille de matériaux 2D de carbure et/ou nitrure de métaux de transition en plein essor avec un nombre de publications qui croit exponentiellement depuis leur découverte en 2011 (Figure I.19). Ils ont particulièrement attiré l’attention des scientifiques en raison de leurs bonnes conductivités électroniques, leurs propriétés hydrophiles et leur chimie versatile. En particulier, la variation de la nature des éléments M, X, ou la nature de leurs groupements terminaux (F, O, OH et/ou Cl) permet ainsi d’ajuster leurs propriétés pour s’adapter à des applications spécifiques. Grâce aux nombreuses compositions déjà découvertes et celles prédites théoriquement, leur faculté à être utilisés efficacement dans toutes sortes de composites, le champ d’investigation n’en est qu’à ses débuts et il fait peu de doutes que d’autres propriétés et/ou applications avec ces matériaux devraient voir le jour. D’autre part, leur faculté à se comporter comme des argiles (en fonction du milieu exfoliant utilisé) leur confère un avantage indéniable par rapport à la pluppart des autres matériaux 2D car ce comportement facilite leur mise en forme pour produire des films, massifs ou encore des encres à partir de solutions aqueuses, un gain économique majeur pour l’industrie des matériaux.

Figure I.19. Nombre d'articles scientifiques publiés depuis 2012 jusqu’à juin 2020 contenant le concept ‘MXène’ (base Web of Science).

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Néanmoins, en raison de leur complexité chimique, la caractérisation de ces matériaux nécessite des études encore plus approfondies. La présence des impuretés issues des procédés de synthèse mais aussi des phases MAX initiales, leur capacité ou non à se délaminer, l’insertion d’ions et d’eau entre les feuillets, leur stabilité vis-à-vis de l’oxydation partielle de surface en fonction des conditions de stockage, la nature chimique des éléments composants la surface, l’interaction électronique avec d’autres phases dans le cas de composites constituent des paramètres qu’il est nécessaire d’appréhender pour mieux comprendre leur mode de fonctionnement. Ceci nécessite de développer des approches de caractérisation combinant des méthodes telles que la diffraction des rayons X (DRX), les spectroscopies Raman, de pertes d’énergie des électrons (EELS), photoélectronique X (XPS) et résonance magnétique nucléaire (RMN), les analyses thermiques, l’adsorption de molécules sondes, les dosages chimiques tels que la spectrométrie à plasma à couplage inductif (ICP) ou la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), etc… potentiellement couplées à des simulations théoriques pour mieux attribuer les signaux observés. En particulier, il est clair que pour un même MXène, rien que le milieu exfoliant utilisé pour le synthétiser peut fortement influer sur la structure cristallographique et électronique, la nature des espèces insérées entre les feuillets ainsi que sur les propriétés de surface du matériau, la caractérisation jouant alors un rôle pivot pour expliquer ces différences.

Par ailleurs, les premières études aussi bien théoriques qu’expérimentales sur différents MXènes en électrocatalyse ont mis en évidence qu’ils étaient potentiellement de bons catalyseurs ou, à défaut, d’excellents co-catalyseurs ou supports aussi bien pour la réaction de dégagement de dihydrogène (HER) que de dioxygène (OER). Leur très bonne conductivité électronique favorisant le transfert de charge, leur surface spécifique théoriquement très élevée ainsi que la présence de nombreux groupements terminaux à leur surface, susceptibles de servir de points d’ancrage pour les espèces actives déposées, sont des atouts considérables pour ces réactions. Ainsi, l’obtention de matériaux d’électrodes pour des électrolyseurs exempts de métaux nobles, peu couteux et actifs semble clairement envisageable.

Bien que prometteuses, ces études préliminaires doivent être clairement approfondies pour mieux comprendre le fonctionnement de ces matériaux dans ces réactions car certains aspects ne sont pas ou peu abordés dans ces études telles que l’état de délamination, l’état d’oxydation, (potentiellement modifié sous potentiel), la stabilité ou les interactions avec le milieu électrolytique et la phase active déposée. Des études expérimentales sont aussi nécessaires pour confirmer ou infirmer les données théoriques issues de simulation sur l’influence des groupements

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terminaux sur l’activité catalytique. Une meilleure compréhension de ces phénomènes devrait permettre d’orienter la synthèse vers des matériaux à base de MXène toujours plus performants. Pour l’OER, les composites à base de MXène et de métaux de transition, par exemple issus de

MOF ou d’hydroxydes doubles lamellaires (LDH), semblent à l’heure actuelle le meilleur

compromis en termes de performances catalytiques et de coût. En revanche, les synthèses adoptées jusqu’ici pour préparer ces composites sont parfois complexes et l’état d’oxydation des MXènes après la synthèse et/ou à potentiels d’électrode élevés n’est pas souvent discuté.

Pour l’HER, il semble que le couplage des MXènes avec des phases telles que les sulfures offrent les meilleures perspectives pour éviter l’utilisation de métaux nobles. Par exemple, le couplage

avec MoS2 permet d’améliorer significativement le transfert de charge pendant le processus de

dégagement de dihydrogène. Il a été mis en évidence théoriquement que ce couplage entraine

l’activation du plan basal du 2H-MoS2 favorisant ainsi l’adsorption de l’hydrogène. Néanmoins,

ces matériaux ont plutôt été utilisés en milieu acide et il serait intéressant d’estimer leur potentiel en milieu alcalin en vue d’élaborer des électrolyseurs alcalins. De plus, les procédés de synthèse utilisés sont souvent indirects avec la formation de MoS2 via l’ajout de précurseurs dédiés

contenant à la fois le souffre et le molybdène ne favorisant pas toujours une interaction forte entre la phase active et le MXène. Une méthode plus directe permettant une croissance de la phase active par transformation topotactique du MXène pourrait permettre d’améliorer les interactions, le transfert de charges et donc les performances tout en simplifiant le processus de synthèse. Cette étude bibliographique a donc permis de mettre en évidence le potentiel très important des MXènes et de leur versatilité chimique pour l’élaboration d’électrodes performantes, stables et peu coûteuses pour les réactions d’oxydo-réductions mises en jeu dans un électrolyseur.

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Chapitre II: _{Partie expérimentale}