Zincate de calcium

La synthèse du zincate de calcium par voir hydro-micromécanique

Il y a quelques années, EASYL a accidentellement découvert une méthode de synthèse industrialisable, peu couteuse, ayant un excellent rendement, et permettant d’obtenir des micro-losanges de zincate de calcium. Ce matériau est connu pour ses propriétés en tant que matière active dans l’anode de zinc, en remplacement de l’oxyde de zinc. Le travail à l’époque était porté sur la synthèse du nitrure de titane, un composé connu dans les batteries au zinc et utilisé en tant qu’additif conducteur électronique, grâce à son excellente résistance à la corrosion et sa conductivité électronique élevée. Le protocole de synthèse utilisé pour produire le nitrure de titane est basé sur la méthode de synthèse autopropagée à haute température (en anglais : self-propagating high-temperature synthesis (SHS)). Cette dernière consiste en une première étape de nitruration sous température contrôlé, suivant l’équation (1) :

1) Le nitrure de calcium obtenu est ensuite intimement mélangé à de l’oxyde de titane et du calcium avant qu’une source d’activation externe ne vienne initier la réaction. Cette dernière, très exothermique, se propage à travers l’ensemble de l’échantillon jusqu’à la conversion complète de l’ensemble de la matière en oxyde de calcium et nitrure de titane, suivant l’équation (2) :

2) Le produit obtenu est sous forme d’une brique solide composé de nitrure de titane et d’oxyde de calcium, présenté dans la Fig.1.

Fig.1. Photo d’un bloc de CaO-TiN après une synthèse SHS

L’ajout d’eau à cette brique a pour effet de déliter le solide en fine poudre micrométrique (1.5µm ± 1 µm), appelée Kaotin® par EASYL, suivant la réaction d’hydratation suivante (3):

3) A ce stade, la synthèse conduit donc à la présence d’une impureté (dans le cas présent l’hydroxyde de calcium), qui nécessite des étapes supplémentaires de séparation, effectuées par le biais de lavages acides répétitifs. Une remarque intéressante fût que, dans l’électrode de zinc, l’hydroxyde de calcium et le nitrure de titane sont tous deux des additifs couramment utilisés suivant un ratio très proche de celui obtenue en suivant ce protocole de synthèse.

L’utilisation de ce mélange de poudre Kaotin® directement dans la formulation des électrodes de zinc permettant donc de réduire de manière significative le nombre d’étape d’élaboration de l’électrode, et ainsi donc son coût de fabrication, fut donc étudié. Un mélange Kaotin® et oxyde de zinc a été effectué dans broyeur à bille à très haute performances, afin d’obtenir une électrode constituée d’une répartition homogène de chacun d’un élément.

C’est alors que, lors de l’analyse morphologique du mélange au microscope électronique, que les micro-losanges de zincate de calcium ont fait leur apparition : 10 à 15 fois plus gros que la poudre initialement introduite (Fig. 2.).

Fig.2. Image de particules d’oxyde de zinc (ZnO), d’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) et de zincate de calcium (Ca(OH)2,2Zn(OH)2,2H2O) observés dans un microscope électronique à balayage.

Une étude approfondie du matériau obtenue est disponible en libre accès de la revue scientifique « Journal of Nanomaterials », sous l’intittulé : « Ultrafast Hydro-Micromechanical Synthesis of Calcium Zincate: Structural and Morphological Characterizations »

En voici le résumé :

Le zincate de calcium est un matériau ayant un large panel d’application : principalement connu comme élément de remplacement avantageux de l’oxyde de zinc dans les électrodes négatives pour les batteries zinc-air ou zinc-nickel, il est également utilisé en tant que précurseur de catalyseur dans le domaine de la synthèse de biodiesel ou encore utilisé comme composé antifongique dans la protection des monuments en calcaire. Cependant, sa synthèse n’est toujours pas optimisée. Dans cette étude, il a été élaboré en utilisant un protocole de synthèse ultra-rapide : la synthèse hydro-micromécanique. Deux autres méthodes de synthèses, par voie hydro-chimique et hydro-thermique, ont été utilisés pour comparaison. Dans tous les cas, les échantillons synthétisés ont été analysés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et granulométrie laser. La méthode de Rietveld a été utilisé pour affiler les paramètres structuraux et d’obtenir une moyenne de taille de cristallite, sur un échantillon submicronic obtenu par voie hydro-micromécanique. La détermination de la structure monocristalline a été effectuée par analyse en diffraction de rayon X sur un cristal obtenu par synthèse hydrochimique. Il a été montré que quel que soit le protocole de synthèse, les échantillons préparés cristallisent toujours dans le même réseau cristallin, avec un groupe d’espace P21 / c et diffèrent seulement de leurs paramètres de texture macroscopiques. Néanmoins, seule la méthode hydro-micromécanique est envisageable industriellement et permet un contrôle précis des paramètres de texture du zincate de calcium obtenu.

Lien vers l’article (en Anglais) : Référence