Mémoire, partim B: Étude de la formation de titanates de sodium par diffraction de rayons X

Abstract

Dans le cadre de sa recherche visant à étudier des matériaux d’anode pour batteries Na-ion, Madame Caroline Piffet a montré qu’après traitements thermiques à différentes températures, la formation du Na_2 Ti_3 O_7 passe par la formation de deux phases intermédiaires : la phase Na_4 Ti_5 O_12 et la phase Na_2 Ti_6 O_13. La formation de la phase Na_4 Ti_5 O_12 précède celle de la phase Na_2 Ti_6 O_13. Les conditions expérimentales conduisant à la formation de ces deux intermédiaires dans leurs formes pures n'ayant pas été étudiées à l'époque, la détermination de celles-ci constitue le sujet de mon mémoire. La phase Na_4 Ti_5 O_12 étant la première phase à apparaitre, nous avons commencé notre étude par cette phase. Il s’est avéré que la forme pure de cette phase ne peut être synthétisée avec des précurseurs obtenus par spray-drying dans les proportions stœchiométriques Na/Ti 4/5. Par contre, nos expériences ont montré que les précurseurs obtenus par spray-drying dans les proportions Na/Ti 4.2/5 conduisent à la formation du Na_4 Ti_5 O_12 pur après un traitement thermique de 8h à 550 °C. Dans le but de limiter l'impact environnemental, nous avons montré que la formation du Na_4 Ti_5 O_12 pur peut être obtenue avec un traitement thermique sans palier à condition d'augmenter la température de traitement des précurseurs issues du spray-drying à 650 °C durant 0h. De même, nous avons montré que la forme quasi-pure du Na_2 Ti_6 O_13 ne peut être obtenue avec des précurseurs obtenus par spray-drying dans les proportions stœchiométriques Na/Ti 2/6, mais dans les proportions Na/Ti 2.1/6. De plus, la formation de cette phase requiert la formation de deux phases intermédiaires : Na_4 Ti_5 O_12 puis une phase que nous avons baptisée « phase à deux pics » pour la distinguer de la « phase à trois pics » qui correspond à la structure connue de Na_2 Ti_6 O_13. La « phase à deux pics » est le produit de la réaction entre Na_4 Ti_5 O_12 et le TiO_2 lorsque les précurseurs obtenus par spray-drying sont traités durant 15 minutes à 725 °C. Cette phase évolue lorsque les précurseurs sont calcinés durant une plus longue durée à 725 °C ou une plus haute température pour former le Na_2 Ti_6 O_13. Dans le but de limiter l'impact environnemental, nous avons montré que le meilleur compromis était obtenu suite à la synthèse du Na_2 Ti_6 O_13 après un traitement thermique sans palier à condition d'augmenter la température de traitement des précurseurs issus du spray-drying à 800 °C durant 0h.