Maisonneuve, Vincent

Professeur des Universités

Mots clés : chimie du solide, chimie  inorganique, chimie minérale, chimie en solution, fluorures, monocristal, nanopoudre, nanoparticule, nanomatériau, synthèse hydrothermale et solvothermale, chauffage micro-ondes, mécanobroyage, mécanosynthèse, céramique, structure, plans expériences

Activité scientifique

Mon activité de recherche s’inscrit dans le groupe des Fluorures cristallisés que j’anime depuis plus de 15 ans. Si initialement l'activité était centrée principalement sur la synthèse de monocristaux de nouveaux sels fluorés par voie hydrothermale en milieux sub- et super-critique et leur caractérisation structurale, elle s'est depuis largement étoffée au fil des années. Elle se concentre maintenant sur la préparation de fluorures inorganiques et hybrides sous forme de poudres micro- et nanométriques, de monocristaux et de couches minces avec pour objectif la détermination de leur organisation intime à l'échelle atomique et ses conséquences sur les fonctionnalités/propriétés en vue d'applications dans le domaine de l'énergie en particulier. La caractérisation est essentiellement axée sur la détermination structurale par diffraction des rayons X sur poudre ou monocristal, l'analyse des comportements thermiques et les spectroscopies RMN du solide et Mössbauer. Au cours des dix dernières années, les nouvelles approches en termes de synthèse de fluorures ont nécessité d'engager de nouvelles collaborations interdisciplinaires avec nos collègues des thématiques Synthèse Organiques (SO) et Polymères (POL). Aujourd'hui, l'activité recherche du groupe peut se décliner selon 4 grands axes pour des applications essentiellement dans les domaines de l’énergie et la catalyse :

- Design de nouveaux fluorures hybrides inorganiques-organiques basés sur des ligands originaux,

            - Elaboration par différentes voies de synthèse de nanofluorures,

- Nouveaux matériaux fluorés pour batteries Li- ou Na- ion et batteries tout solide à ions fluorure ainsi que comme matériaux d’anodes pour l’électrolyse de l’eau,

            - Approche composite pour élaborer de nouveaux matériaux inorganiques fluorés organisés.

L'axe de recherche portant sur la synthèse et la caractérisation de fluorures hybrides inorganique-organique s'est nettement enrichi lors de la collaboration avec DR G. Dujardin de la thématique SO (IMMM). En effet, les ligands organiques originaux à noyaux tétrazoles développés dans le cadre d'une thèse codirigée (V. Pimenta, 2012-15) ont permis l'émergence de nouveaux fluorures hybrides tridimensionnels de type MOF (Metal Organic Framework) dont la porosité variable s'étale de 20 à 60%. Après 2 postdoctorats à Paris dans le laboratoire de J.-M. Tarascon du collège de France et à l’université de St Andrew (Ecosse) chez R. Morris, V. Pimenta est désormais MCF dans le laboratoire IMAP (Paris) dirigé par C. Serre.

Depuis une dizaine d'année, nous avons élargi notre savoir-faire reconnu en élaboration de fluorures inorganiques à des méthodes permettant d'accéder à l'échelle nanométrique. Ainsi, des méthodes basses températures (sol-gel assisté par voie chauffage micro-ondes, décomposition thermique, ...) voire à température ambiante (co-précipitation, mécanosynthèse) ont été appliquées et développées pour conduire à des nanofluorures de diverses compositions chimiques et des tailles de particules pouvant atteindre des valeurs inférieures à 3 nm. Compte tenu du potentiel en catalyse de certains nanofluorures, une thèse en codirection (2019-21) avec DR S. Brunet de l'IC2MP (Poitiers) a été engagée en association avec le groupe Solvay (F. Metz, responsable R&D) avec un objectif de catalyseurs fluorés de surfaces spécifiques élevées et stables sous flux de HF gazeux à 380°C et leur évaluation catalytique pour la transformation de divers substrats organiques chlorés. Ces travaux ont débouché sur le dépôt d’un projet ANR PRCE en 2021 qui a été accepté et dont je suis le coordinateur. Ce projet OPIFCat (2021-24, 576 k€) regroupant 3 laboratoires académiques (IMMM, IC2MP, IMN) et 1 industriel (Solvay) a pour objectif de développer méthode originale de fluoration plus vertueuse que les méthodes industrielles en voie liquide permettant de préparer des molécules d’intérêt tant pour le domaine de l’énergie (électrolyte de batteries Li-ion) que celui de la santé (anti-cancéreux). Ces travaux s’appuieront sur la méthodologie, récemment brevetée par notre groupe, de préparation de Fluorures Inorganiques Poreux Organiques.

Suite au projet ANR FLUOBAT (2012-17, 928 k€), que j’ai piloté et qui avait pour objectif l’évaluation des performances des matériaux d’électrodes et d’électrolyte d’une batterie tout solide basée sur le transport d’ions fluorure, nous avons poursuivi nos études sur l’électrolyte solide de type tysonite avec sa mise en forme par PVD de films minces très denses conduisant à une amélioration nette des propriétés de conductivité intrinsèque, proches de celle d'un monocristal. Parallèlement nous nous sommes engagés également à développer de nouveaux fluorures comme matériaux d'électrode positive pour batteries Li- ou Na- ion dans le contexte de la thèse de K. Lemoine (2016-19) en coopération avec Pr J.-M. Tarascon du Collège de France, expert international dans le domaine des batteries. La décomposition thermique de précurseurs originaux a permis d’accéder à une large palette de nouveaux matériaux fluorés dont certains ont révélé des propriétés dignes d'intérêt en tant que composés actifs d’électrodes positives pour batteries à Li-ion.

Depuis 2019, un nouvel axe sur des matériaux oxyfluorés comme matériaux d’anodes pour l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène a émergé. Plusieurs compositions chimiques ont été identifiées avec des performances remarquables dont un oxyfluorure à base de fer et cobalt aux performances supérieures à celles des matériaux références. Le caractère très novateur de ces travaux a été récompensé successivement par un projet Emergence H2Flu (2019, INC-CNRS, postdoctorant+15 k€, porté par J. Lhoste), un projet collaboratif Samuel de Champlain avec notre collègue Québécois N. Kornienko (2021-22, porté par A. Guiet), un projet régional Pays de la Loire H2-OPIFCat (2021-24, 45 k€, porté par moi-même), un prix coup de cœur de la Fondation Grand d’Entreprise Grand Ouest attribué à mon collègue J. Lhoste (2021, BPGO, 10 k€) et un prix International Emerging Actions (CNRS, 2022, 14 k€, porté par moi-même). Le potentiel de valorisation de ces matériaux oxyfluorés est également soutenu avec un brevet étendu à l’international en 2021 et l’obtention en 2022 d’un projet de pré-maturation CNRS (182 k€, porté par moi-même).

Par ailleurs, je voudrais mettre l'accent sur un développement technologique important pour notre équipe : la construction de deux lignes de fluoration sous agent fluorant F₂ et HF anhydre entièrement automatisées et sécurisées. Indispensable et rare à l’échelle nationale voire internationale, il était important de relancer cette activité de fluoration sous agent gazeux, dangereux à manipuler, pour remplacer en particulier une ancienne ligne sous HF anhydre arrêtée en 2006 compte tenu qu'elle ne respectait plus les normes de sécurité. La construction de ces lignes a nécessité 5 années de travail grâce à la réunion des savoir-faire du groupe des fluorures cristallisés et d'une équipe composée de C. Galven (IE, coordinateur du projet), J.-Y. Botquélen (Tech, construction mécanique) et V. Gunes (IE, programmation automate).

Je suis membre depuis 2002 du bureau exécutif du Réseau Français du Fluor et webmaster du site web (www.reseau-fluor.fr)

2022 - Co-organisateur avec A. Demourgues (Bordeaux) et M. Dubois (Clermont-Ferrand) de la journée thématique Matériaux Fluorés pour la filière hydrogène dans le car de du réseau Fluor avec le soutien de la FRH2 (octobre 2022, Le Mans)

2009-2012-2015-2022 - Co-organisateur avec A. Prat (Institut Néel) d’une école de formation sur la synthèse hydrothermale intitulée " Du nm³ au cm³ : la synthèse hydro(solvo)thermale ". Cette école, soutenue par les réseaux Cristech et de Technologie des Hautes Pressions, se déroule à l'IMMM (Le Mans) et accueille une vingtaine de stagiaires sur 3 jours environ. La prochaine édition aura lieu en 2022.

Activité en enseignement

DUT chimie(L1, L2) et L3 - Chimie en solution, chimie inorganique, plans d'expériences

Encadrement de doctorants en cours

2020-23 GENOT Valentine (Bourse MESR, co-encadrée avec J. Lhoste et A. Guiet) : " Nouveaux matériaux fluorés pour le stockage d’agents fluorants gazeux. 1 publication, 2 communications orales et 1 par affiche.

2021-24 TERRY Alexandre (cofinancement H2-OPIFCat et Université de Montréal, dirigée par J. Lhoste et co-encadrée avec A. Guiet) : " Elaboration d'oxyfluorures à cations mixtes comme électrocatalyseur pour la production d'hydrogène vert par électrolyse de l'eau ".

103 publications référencée dans ISI web of Science, 1 chapitre de livre, 2 brevets, h=22

10 derniers articles

1. " New Amorphous iron-based oxyfluorides as cathode materials for high-capacity lithium-ion batteries " by K. Lemoine, L. Zhang, J.-M. Grenèche, A. Hémon-Ribaud, M. Leblanc, A. Guiet, C. Galven, J.-M. Tarascon, V. Maisonneuve, J. Lhoste, Phys. Chem. C 123 (2019) 21386-21396. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b06055.
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9. " Controlled morphology synthesis of nanostructured β-AlF_3-x(OH)_x with tunable specific surface area " by V. Camus-Genot, A. Guiet, J. Lhoste, F. Fayon, M. Body, S. Kodjikian, R. Moury, M. Leblanc, J.-L. Bobet, C. Legein, V. Maisonneuve, Growth Des. 21(10) (2021) 5914-5927. DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00808.
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