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Accueil du site > Departement Métallurgie Matériaux Inorganiques > Equipes de recherche > Groupe Electrochimie et Spectroscopie des Matériaux (GESMAT) > Thèmes de recherche > Synthèse et électrochimie de nouveaux matériaux d’électrode positive pour accumulateur au lithium et lithium-ion > Synthèse sol-gel : un procédé issu de la chimie douce > Principe du procédé sol-gel

Principe du procédé sol-gel

Le procédé sol-gel, correspondant à l’abréviation « solution-gélification », s’apparente à celui qu’utilisent les chimistes pour fabriquer un matériau polymère. Plus précisément, un réseau macromoléculaire d’oxyde sera créé lors de l’hydrolyse et de la condensation de précurseurs moléculaires. L’intérêt porté aux gels est non seulement associé à leurs propriétés physico-chimiques, mais aussi et surtout aux importantes possibilités qu’offre l’état colloïdal dans le domaine de l’élaboration des matériaux.

On conçoit alors aisément que les solides de basse dimensionnalité, construits à partir d’un empilement de feuillets ou d’une juxtaposition de fibres soient des matériaux de choix pour les procédés sol-gel. En effet, la viscosité ajustable des sols et des gels permet d’élaborer facilement des films par trempage, pulvérisation ou spin-coating et ainsi augmenter considérablement l’anisotropie initiale du matériau, tout en améliorant très largement la réactivité chimique.

L’ensemble des types de produits pouvant être obtenus via le procédé sol-gel est résumé sur le shéma ci dessous.

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Les différents produits issus des procédés sol-gel

Le précurseur

Le précurseur est un réactif chimique qui permet d’amorcer la réaction. Il s’agit souvent d’un alcoolate (alcoxyde de formule M(OR)n : où M est un métal, par exemple Si ou Zr, et R un groupe organique alkyle CnHn-1) ou bien un sel métallique.

Il existe deux voies de synthèse sol-gel :

- Voie inorganique ou colloïdale : obtenue à partir de sels métalliques (chlorures, nitrates, oxychlorures) en solution aqueuse. Cette voie est peu chère mais difficile à contrôler, c’est pour cela qu’elle est encore très peu utilisée. Toutefois, c’est la voie privilégiée pour obtenir des matériaux céramiques.

- Voie métallo-organique ou polymérique : obtenue à partir d’alcoxydes métalliques dans des solutions organiques. Cette voie est relativement coûteuse mais permet un contrôle assez facile de la granulométrie.

La voie aqueuse permet l’obtention de gels constitués de particules appelé hydrogel dont la forme est souvent relativement bien connue et dont la nature chimique correspond à un oxyde hydraté : MOx,nH2O (oxy-hydroxydes et hydroxydes sont inclus dans cette appellation).

La réaction Sol-Gel se fait en deux étapes : la synthèse du « sol » puis la formation du « gel ».

La synthèse du « sol »

Un sol est défini comme étant une dispersion stable dans un liquide de particules colloïdales. La synthèse d’un « sol » se fait à température ambiante par ajout d’eau dans une solution organique acidulée ou basique contenant des précurseurs. C’est la réaction d’hydrolyse. Par la suite, on peut faire évoluer ce « sol » par le biais de réactions de condensation en un réseau tridimensionnel à viscosité infinie, appelé « gel ».

Réaction d’hydrolyse :

La formation du « gel »

Un gel est défini comme un système biphasé dans lequel les molécules de solvant (eau, alcool) sont emprisonnées dans un réseau solide. Lorsque le liquide est l’eau, on parle d’un aquagel ou hydrogel, si c’est de l’alcool on parle d’alcogel.

Réactions de Condensation-polymérisation :

Le séchage

L’obtention d’un matériau, à partir du gel, passe par une étape de séchage qui consiste à évacuer le solvant en dehors du réseau polymérique. Ce séchage peut entraîner un rétrécissement de volume.
Le procédé de séchage permettant l’obtention du matériau sol-gel nécessite que l’alcool, ou l’eau, puisse s’échapper en même temps que le gel se solidifie. Le procédé d’évaporation se produit grâce aux trous et aux canaux existants dans le matériau sol-gel poreux. Il existe plusieurs types de séchage permettant d’obtenir des types de matériaux différents :

• Xérogel : séchage classique (évaporation normale) entraînant une réduction de volume allant de 5 à 10%.

• Aérogel : séchage en conditions supercritiques (dans un autoclave sous pression élevée) n’entraînant pas ou peu de rétrécissement de volume.

À partir d’une même solution et en fonction du mode de séchage du gel, le matériau final prend des formes très différentes. Dans le cas d’un séchage supercritique, le gel donne un « aérogel », structure très ouverte avec une grande macroporosité. Dans le cas d’un séchage classique, les liquides résiduels provoquent des forces de capillarité très importantes qui mènent à la destruction de la macroporosité et aboutissent, finalement, à l’obtention de structures vitreuses. On obtient de cette manière un « xérogel ».

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Principales étapes de synthèse d’un matériau par la voie sol-gel