LE PLATEAU D’ANALYSE TEXTURALE rassemble les équipements de volumétrie d’adsorption de gaz et de fluides, les compétences scientifiques et techniques visant à l’appréhension des mécanismes d’échanges et d’interactions pour les études des propriétés et des réactivités des surfaces. Les échantillons étudiés sont généralement des minéraux naturels ou synthétiques, des matériaux nano-microporeux ou pulvérulents. La technique d’adsorption trouve leur application dans de nombreux domaines comme le traitement des eaux, le traitement des sols et de l’environnement (stockage, purification, dépollution, …) et l’industrie alimentaire.

Responsables : Angelina Razafitianamaharavo (IR, Nancy-Charmois), Manuel Pelletier (IR, Nancy-Charmois)

 

Principe

L'adsorption est un phénomène physique de fixation de molécules gazeuses ou de vapeurs sur la surface d'un matériau. La fixation provient des interactions entre ces molécules ou vapeurs (adsorbat) et la surface du solide (adsorbant). Lors de l’adsorption (désorption), ce dernier est placé dans un bain (à 77K pour les gaz et à température entre -10 et 70°C pour les vapeurs). La surface du solide comprend les surfaces externes et internes engendrées par le réseau de pores et cavités à l'intérieur de l'adsorbant. Dans le cas d’une adsorption physique ou physisorption, la fixation se fait essentiellement par les forces de Van der Waals sans dénaturer le matériau. La physisorption étant un processus réversible, la technique conduit ainsi à l’isotherme d’adsorption/désorption pour caractériser la texture du solide (surfaces spécifiques, porosités < 50nm).

Equipement

Appareil d’adsorption Belsorp max II, équipé d’un groupe de pompage turbomoléculaire et d’une pompe primaire

Adsorbats gazeux, vapeurs:

• N2, Ar, Kr, CO2, H2, O2, CH4, NH3 at autres gaz non corrosifs
• H2O, MeOH, EtOH, C6H6, et autres vapeurs non corrosives

Capteurs de pressions sur les 3 ports-échantillons :

• 133kPa（1000Torr）× 6 units
• 1.33kPa（10Torr）× 4 units
• 0.0133kPa（0.1Torr）× 3 units

Surface spécifique : SSA>0.01m2/g (N2), SSA>0.0005m2/g (Kr)

Distribution de tailles des pores (Diamètre) : 0.35～500nm

Méthode de traitement

Surface spécifique : Théorie de Brunauer, Emmett et Teller (théorie BET)
Microporosité (diamètre < 2nm) : Théorie de Boer (méthode t-plot)
Mésoporosité (2nm < diamètre < 50nm) : méthode de Barrett, Joyner et Halenda (méthode BJH)

 

Principe

La volumétrie d’adsorption continue est basée sur l’introduction lente et progressive à flux constant de l’adsorbat gazeux à l’aide d'une microfuite de très faible débit dans la cellule contenant l’échantillon maintenue à 77K. De cette manière, le système est considéré en quasi-équilibre durant l’adsorption et l’isotherme obtenue comporte un grand nombre de points expérimentaux correspondant à l’adsorption de la molécule sonde jusqu’à la formation de la première couche située à la pression relative de 0.15 environ. L'acquisition de nombreux points expérimentaux permet de travailler sur les isothermes dérivées exprimées en fonction de Ln(P/P0) (échelle énergétique (en –kT) associé à " l’empreinte" énergétique superficielle du solide en lien avec l’adsorbat utilisé.

Equipement

Il s’agit d’un appareil d’adsorption continue conçu et développé au laboratoire, équipé d’un groupe de pompage turbomoléculaire et d’une pompe primaire. L’adsorption s’effectue à 77K (température de l’azote liquide)
•    Adsorbats gazeux : N2, Ar, Kr
•    3 ports-échantillon
•    Capteurs de pressions /port-échantillon :
133kPa（1000Torr）× 6 units
1.33kPa（10Torr）× 4 units
0.133kPa（1Torr）× 3 units

Méthode de traitement

Cette technique donne accès à l’étude de l'hétérogénéité superficielle des solides pouvant avoir diverses origines : d'ordre texturale (ex. la microporosité), d'ordre structurale ou morphologique (ex. face basale/face latérale) ou d'ordre chimique (ex. sites chargés). Le traitement repose sur la méthode DIS (Derivative Isotherm Summation) basée sur différentes théories sur l’adsorption (BET, Langmuir, …) et qui conduit à une distribution des domaines énergétiques des surfaces selon la sonde (adsorbat) moléculaire utilisée. En particulier, l'argon utilisé pour ses propriétés peu polaires, donne accès aux informations géométriques ou morphologiques ; tandis que l'azote, du fait de son moment quadripolaire inductible, renseigne sur la présence de sites polaires sur la surface.

 

Principe

L’appareil du LIEC permet de réaliser des analyses thermogravimétriques dans une gamme de température allant de l’ambiante à 1150°C. Des cannes ATG, ATD et DSC sont disponibles, et l’appareil travaille actuellement sous flux d’air synthétique. Ce flux de gaz peut être modifié au besoin (Azote, Argon, … ). La capacité maximale de prise d’essais est de 20 g, pour une plage de mesure de +/- 1g avec une résolution de 0,2 µg, ou une plage de mesure de +/- 200 mg avec une résolution de 0,02 µg.

Équipement

Le LIEC est équipé d’un LABSYS EVO 1150°C de la marque SETARAM.