Synthèse auto-propagée à haute température

La synthèse auto-propagée à haute température (SHS, en anglais : Self-propagating high-temperature synthesis) est une méthode de production de composés inorganiques et organiques par des réactions de combustion exothermiques dans des solides de nature différente[1]. Des réactions peuvent se produire entre un réactif solide et un gaz, un liquide ou un autre solide. Étant donné que le processus se déroule à des températures élevées, le procédé convient parfaitement à la production de matériaux réfractaires, notamment de poudres, d'alliages métalliques ou de céramiques.

Le processus SHS moderne a été publié et breveté en 1971[2],[3] bien que certains processus de type SHS aient été connus auparavant.

Avantages et inconvénients

La synthèse à haute température auto-propagée est une technique de synthèse très économe en énergie, utilisant peu ou pas de solvants toxiques. Des analyses environnementales ont été menées pour montrer que la SHS a un impact environnemental moindre que les techniques traditionnelles de traitement en solution[4]. Cette technique utilise moins d'énergie pour la production de matériaux et les économies d'énergie augmentent avec la taille des lots synthétisés.

La SHS n'est pas appropriée pour la production de nanoparticules. En effet, les hautes températures atteintes pendant la synthèse conduisent au frittage des particules pendant et après la réaction. Ce processus nécessite par ailleurs des creusets adaptés pour dissiper l'énergie produite par les hautes températures. Certaines entreprises ont toutefois valorisé ce surplus d'énergie pour piloter d'autres processus.

Méthodologie

Habituellement, le SHS est réalisé à partir de poudres fines de réactifs mélangés de manière homogène. Selon les procédés, les poudres sont soit simplement mélangées entre elles, soit frittées pour minimiser la taille des surface et éviter des réactions exothermiques non initiées, qui peuvent être dangereuses[5]. Les particules peuvent être activées mécaniquement par exemple par un broyage à boulets à haute énergie, qui aboutit à des particules nanocomposites contenant les deux réactifs dans des cellules chimiques individuelles[6],[7].

Après la préparation des réactifs, la synthèse est initiée par chauffage ponctuel d'une petite partie de l'échantillon (généralement le haut). Une fois démarrée, la une vague de réactions exothermiques en chaîne se propage dans tout le matériau.

La SHS a également été menée avec des films minces, des liquides, des gaz, des systèmes poudre-liquide, des suspensions de gaz, des systèmes en couches, des systèmes gaz-gaz et autres. Les réactions ont été menées sous vide et sous des gaz inertes ou réactifs. La température de la réaction peut être diminuée par l'ajout de sel inerte qui absorbe la chaleur en fusionnant ou en s'évaporant, comme le chlorure de sodium, ou par l'ajout de « four chimique » (un mélange hautement exothermique) pour diminuer le rapport de refroidissement[8].

Exemples

La réaction des chalcogénures de métaux alcalins (S, Se, Te) et des pnictures (N, P, As) avec d'autres halogénures métalliques produit les chalcogénures et les pnictures métalliques voulus[9]. La synthèse du nitrure de gallium à partir du triiodure de gallium (en) et du nitrure de lithium est illustrative :

GaI3 + Li3 N → GaN + 3 LiI

Le processus est suffisamment exothermique (ΔH = −515 kJ/mol) pour que l'iodure de lithium LiI s'évapore, laissant un résidu de GaN. En remplaçant le GaI3 par du GaCl3, la réaction est tellement exothermique que le produit GaN se décompose. Ainsi l'halogénure métallique utilisé détermine la réussite ou l'échec de la réaction.

D'autres composés préparés par cette méthode comprennent les dichalcogénures métalliques tels que MoS2. La réaction est conduite dans un réacteur en acier inoxydable en excès de Na2S[5].

La synthèse à haute température auto-propagée peut également être effectuée dans un environnement artificiel à haute gravité pour contrôler la composition de phase des produits[10].

Le SHS a été utilisé pour vitrifier divers déchets nucléaires, y compris les cendres de l'incinération, les échangeurs d'ions inorganiques usés tels que la clinoptilolite et les sols contaminés[11].

Références
  1. Concise Encyclopedia of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. History, Theory, Technology, and Products, 1re éd., éd. : I. Borovinskaya, A. Gromov, E. Levashov et al., Elsevier Science, 2017
  2. A.G. Merzhanov et I.P. Borovinskaya, Self-propagated high-temperature synthesis of refractory inorganic compounds, Doklady Akademii Nauk SSSR, vol. 204, N 2, p. 366-369, mai 1972
  3. USSR Patent No. 255221, Byull. Izobr. No. 10
  4. Martina Pini, Roberto Rosa, Paolo Neri et Federica Bondioli, « Environmental assessment of a bottom-up hydrolytic synthesis of TiO nanoparticles », Green Chemistry, vol. 17, no 1,‎ , p. 518–531 (DOI 10.1039/C4GC00919C)
  5. Philippe R. Bonneau, John B. Wiley et Richard B. Kaner, Metathetical Precursor Route to Molybdenum Disulfide, Inorganic Syntheses, 1995, vol. 30, p. 33–37, DOI:10.1002/9780470132616.ch8
  6. Alexander S. Mukasyan, Boris B. Khina, Robert V. Reeves et Steven F. Son, « Mechanical activation and gasless explosion: Nanostructural aspects », Chemical Engineering Journal, vol. 174, nos 2–3,‎ , p. 677–686 (DOI 10.1016/j.cej.2011.09.028)
  7. Christopher E. Shuck, Khachatur V. Manukyan, Sergei Rouvimov et Alexander S. Rogachev, « Solid-flame: Experimental validation », Combustion and Flame, vol. 163,‎ , p. 487–493 (DOI 10.1016/j.combustflame.2015.10.025)
  8. Viktoria Kurbatkina, Evgeny Patsera, Evgeny Levashov et Stepan Vorotilo, « SHS Processing and Consolidation of Ta–Ti–C, Ta–Zr–C, and Ta–Hf–C Carbides for Ultra‐High‐Temperatures Application », Advanced Engineering Materials, vol. 20, no 8,‎ , p. 1701065 (DOI 10.1002/adem.201701065, lire en ligne)
  9. Richard G. Blair et Richard B. Kaner, Solid-State Metathesis Materials Synthesis, sur sigmaaldrich.com
  10. Xi Yin, Kexin Chen, Xiaoshan Ning et Heping Zhou, « Combustion Synthesis of Ti3SiC2/TiC Composites from Elemental Powders under High-Gravity Conditions », Journal of the American Ceramic Society, vol. 93, no 8,‎ , p. 2182–2187 (DOI 10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x)
  11. M.I. Ojovan et W.E. Lee, Self sustaining vitrification for immobilization of radioactive and toxic waste, Glass Technology, 44 (6) 218-224 (2003)

Liens externes
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