PROPRIETES ELECTRONIQUES DES NANOCOMPOSITES Ni/MgO
N. Ouafek
1, 2, N. Keghouche
21 Research Center in Industrial Technologies CRTI , P. O. Box 64 Cheraga 16014 ,Algiers, Algeria.
2 Laboratoire microstructure et défauts dans les matériaux, Université Mentouri Constantine, Ain El Bey, 25000 Constantine, Algérie.
Contact : Ouafek Nora [email protected].
Mots clés: Ni-MgO, nanoparticules, XPS.
Résumé
Le but de ce travail est d'étudier les propriétés électronques des nanocomposites Ni/MgO, obtenus par imprégnation avec échange ionique, suivie soit d’une irradition gamma, soit d’une calcination diverses températures (T=100-600°C).
La diffraction des rayons X a révélé la formation de l’hydroxyde de magnésium après l’étape d’imprégnation. Après traitement thermique, cette phase disparait au détriment de composés intermétalliques Mg-Ni (Mg2Ni, Mg6Ni et Ni2Mg), qui à leurs tour disparraissaient audela de 300°C.
L’étude ds propriétés électroniques des composites Ni/MgO par la spectroscopie (XPS), a confirmer la formation de composés intermétalliques Ni-Mg, et qui affecte l’energie de liaison de l’oxyde de nickel (NiO) détécté en surface.
Introduction
Les composés intermétalliques Ni-Mg présentent un intérêt dans le domaine de l’énergie en raison de leur grande capacité à stocker l’hydrogène [1]. De nos jours, les recherches sont orientées vers l’étude de ces matériaux à l’état nanométrique, en plus de l’effet de miniaturation (moindre coût, légèreté), la matière présente des propriétés originales différentes de celles de l’état massif. Ou s’attend à une exaltation à l’aptitude d’absorber/désorber l’hydrogène par les nanoparticules Ni-Mg.
Expérimentale
Les échantillons sont préparés par imprégnation avec échange ionique Ni2+/MgO, suivi soit d’un traitement thermique à l’air (T= 100 -350°C) soit d’une irradiation gamma (dose 100 kGy, débit de dose 25 kGy h-1). Les échantillons ainsi obtenu sont nommés NMI après imprégnation, NMR après irradiation, et enfin NM(T) après calcination à la température T.
Les échantillons sont caractérisées par à l’aide d’un diffractomètre Emperean Panalytical, cependant, l’étude de la surface était par XPS à l’aide d’un K-alpha THERMO- SCIENTIFIC analyseur.
Résultats et discussion
Les spectres de la diffraction X du support MgO, Ni2 +/ MgO après imprégnation et celui irradié sont rapportés dans la figure. 1. La diffraction des rayons X du support (MgO) présente des pics caractéristiques de la magnésie (périclase) dans la structure CFC avec symétrie Fm3m. Après adsorption de nickel (étape d'imprégnation), les spectres de NMI et NMR présentent des piques qui correspondent à l’hydroxyde de magnésium ainsi que des composés intermétallique Ni-Mg (Mg2Ni et MgNi2 de structure hexagonale, et Mg6Ni de structure cubique). Il existe un chevauchement des pics, et il était difficile de les identifier en raison de la même structure et des rayons atomiques de Ni et Mg qui sont très proches.
La figure 2 présente la diffraction des rayons X des échantions imprégnés et calcinés à plusieurs tamperatures : MNI (T = 150, 300, 400, 500, 600, 700° C). À basse température, le pic à 38° et caractéristique de Mg(OH)2 plus Mg6Ni tandis que celui à 58,60 ° peut être due à la présence de Mg(OH)2 et MgNi2, lorsque la température augmente audela de 300°C, Mg(OH)2 disparaît sous l'effet de la décomposition thermique en oxyde de magnésium à 310°C [2]. A température T > 300°C-, les pics deviennent plus étroites et la majorité des pics
correspondant aux phases intermétalliques disparaissent et que tous ceux de l'oxyde de magnésium apparaissent probablement ces composés ne sont pas bien cristallisés.
L'interaction entre le magnésium et l'oxygène deviennent plus forte par rapport à celle entre le magnésium et le nickel.
Aucun pic correspondant au (Ni0 ou NiO) n’est détecté, probablement en raison de la faible teneur en nickel ou à une mauvaise cristallinité.
Fig.1. Spectres DRX. Trait bleu MgO. Trait rouge NMI 5 wt.% aprés impregnation. Trait noir NMR 5 wt.% aprés impregnation et irradiation.
26 39 52 65 78
0 +
0
+
+
+
+
+
+ +
+ +
+
+ +
+
+
0 0
0 0
0
0 0 0
0
0
0
0 0 0 0
0
250°C 200°C 300°C 500°C
350°C 400°C 450°C 600°C
150°C 100°C
In te n si té (u ,a )
2(°)
*
Mg2Nix Mg6NiMgO 0 Mg(OH)2MgNi 2
X0 X0 X0 X0 X0
+0
0
30 40 50 60 70
0 75 150
(I/I 0)x100
*
.
X
X
*
.
*
*
+
0
0
+ +
X + 0 0
2 (°)
NMR
NMI
MgO
.
0.
0.
Ni(OH)2*Mg2Ni
0 Mg(OH) 2
x Mg6Ni
MgO
MgNi2
La technique XPS permet de connaitre la nature chimique (état d’oxydation) des différents constituants des échantillons, ainsi que leur état de surface. Une spectroscopie de photoélectrons de rayons X a été menée et montre un changement de position des pics de Ni et Mg par rapport à l'état massif.
Les spectres XPS sont présentés dans la figure 3. Ces résultats montrent que, dans le cas d’échantillon irradié, imprégné ainsi que ceux sous traitement thermique (calcination), le nickel se trouve essentiellement sous la forme de Ni2 +à la surface de tous nos échantillons (NMR, NMI et NM(T) (T = 100, 300 et 350°C).
Ni2p présente deux pics situés aux énergies de l’ordre de 856,1 et 861,9 eV, indiquant que le nickel se trouve principalement à l’état oxydé en surface [3]. Le décalage du pic principal par rapport à celui de NiO à l’état pur (856,1 au lieu de 854,0 eV) suggère qu’en plus de l’oxygène, le nickel est engagé dans une autre liaison avec le magnésium (l'énergie de liaison plus élevée implique que Ni2 + n'existe pas dans la forme de NiO libre, et une forte interaction entre les espèces Ni2+ et MgO [4]. Ceci est en accord avec le spectre de l’oxygène qui présente un chevauchement des pics O1s correspond à NiO et MgO [5], pour une température de calcination T ≤ 300°C.
Fig.2. Spectres DRX des échantions imprégnés et calcinés à plusieurs tamperatures : MN(T) (T = 150, 300, 400, 500, 600, 700° C)
.
Fig. 3. Spectres XPS du niveau Ni 2p3/2 des échantillons NMI (Ni/MgO après Ni2+ adsorption), NMR (aprés irradiation) et NM(C =100, 300 et 350°C).
Conclusion
Après adsorption de nickel sur MgO (étape d’imprégnation), des composés intermétalliques Ni-Mg sont formés (Mg2Ni, Mg6Ni et Ni2Mg), détectés par la diffraction des rayons X, et confirmé par la technique XPS, au niveau de la surface la présence d’une liaison entre le nickel et le magnésium dans le second voisinage cause un décalage du niveau d’énergie d’oxyde de nickel.
References
[1]. Jain, I.P., Lal, C., Jain, A. (2010). International Journal of Hydrogen Energy; 35 (10), 5133.
[2]. Ranaivosoloarimanana, A., Quiniou, T., Meyer, M., Boyer, J. M., Rocca, F., (2009), Physica B, 404, 3655.
[3]. Xu, L.L., Song, H.L., Chou, L., (2012). Int. J. Hydrog. Energy, 37, 18001.
[4] .Shalvoy, R.B.; Reucroft, P.J.; Davis, B.H.. (1979). J. Catal; 56, 336.
[5]. Sanz, J. M,. Tyuliev, G. T., (1996). Surface Science., 367, 196.
