L’acide hyaluronique est découvert, dans le département d’ophtalmologie de l’Université Columbia à New-York, en 1934, par Karl Meyer (1899-1990) et John Palmer dans l’humeur vitrée de bœuf. On le trouve aussi dans les liquides synoviaux, la peau et le cordon ombilical, par contre, il n’est pas présent dans le sang. C’est un acide mucopolysaccharidique qui réagit avec l’eau pour donner une gelée. Sa teneur dans l’œil dépend de l’espèce considérée. Une enzyme, l’hyaluronidase, permet de le dépolymériser.

Ressource proposée par CM ^*

Premier article de Chevreul sur les corps gras : ayant traité un savon par un acide fort, l’auteur isole un corps organique, qui, bien qu’insoluble dans l’eau, a les propriétés d’un acide, chose surprenante pour les connaissances de cette époque. Chevreul vient de démontrer que le savon est un sel alcalin d’acide organique. Il nomme margarine (perle) ce nouvel acide à cause de son aspect nacré. On notera le soin de ses expériences quantitatives et la prudence de ses conclusions. On notera aussi les quantités massives de substance manipulées et le nombre restreint des solvants disponibles.

Ressource proposée par JF ^*

L’auteur était chef des Explosifs et des Gaz au Laboratoire municipal de Paris. Il commence par un historique de la guerre des gaz à charge des Allemands, avec un tableau des produits, formules, état physique, effets physiologiques, dates et lieux d’utilisation. Il décrit l’organisation du service de recherches et d’identification des produits ennemis sur le sol français ainsi que les fonctions (enquête et analyses) et actions du laboratoire municipal sous la direction d’André Kling (1872-147).

Il complète l’article de Raymond Cornubert (1889-1984) dans la même revue par des données de doses toxiques et une appréciation de la permanence. Distinguant les gaz des explosifs, il expose leur fabrication en Allemagne (lieux, procédés, production) connue par les enquêtes menées postérieurement à la guerre. Il décrit les procédés d’acheminement jusqu’aux sites d’attaques. Constatant notre impréparation et notre surprise au déclenchement de la guerre, il conclut par un appel au développement des recherches scientifiques et industrielles en chimie.

Ressource proposée par JF ^*

Depuis le Moyen Âge au moins, l’homme utilise des colorants d’origine végétale pour améliorer l’appétence d’aliments ou de plats : le safran pour le jaune, le curcuma pour l’orange, le bois de santal pour le rouge, le tournesol pour le bleu, le persil pour le vert…. Dans ce document de type abécédaire, on définit les différents additifs alimentaires et on décrit leur utilité pour la conservation et la protection des différentes nourritures.

Objectif : Donner un éclairage raisonné sur l’utilité des différents additifs pour une meilleure conservation des produits de consommation alimentaire.

Ce site, traduit en français, est une base de données collectées par le NIST(National Institute of Standards and Technology) dans le cadre du Standard Reference Data Program. Une recherche des données par l’intermédiaire de la formule chimique en rend son usage très facile. Ce site étant très riche une liste exhaustive est difficile à établir.
 
 

Voici quelques exemples :

• données thermochimiques, thermophysiques et énergétiques des atomes, ions et molécules
• archive de thermochimie organique
• base de données en thermochimie organométallique
• niveaux d'énergie vibrationnelle et électronique des molécules polyatomiques comportant au moins trois atomes
• calcul de structures 3D
• evaluated infrared spectra
• gas chromatographic retention data

Cet exposé va permettre de voir l’évolution des technologies jusqu’à ce jour, pour transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette conversion nécessite des semi-conducteurs. Les technologies couches minces ont fait appel aux cellules monocristallines à base de silicium remplacées après par des couches polycristallines faisant appel à plusieurs composés. Puis des cellules à colorants ont fait leur apparition et une filière organique voit le jour actuellement.

Le principe est d’abord rappelé ainsi que l’évolution des techniques avec les semi-conducteurs utilisés : d’abord le silicium dopé jonction N-P et la création de la paire-trou et le problème de l’énergie cinétique perdue dans le réseau. La technologie de l’élaboration du silicium est rappelée. L’obtention d’un monocristal par le procédé de Czochralski de coût élevé est remplacée par l’obtention de systèmes polycristallins amorphes et multicouches.

L’ajustage du gap est relié avec les nombres quantiques des deux éléments de la jonction. Des exemples de composés sont présentés tels que CdTe, CdSnO₄, CuFeS₂, dopés avec de l’indium et du gallium, ou respectivement le zinc ou l’étain, pour un développement plus durable. Les rendements sont en moyenne de 20 %. La découverte des « boites quantiques » (échelle nanométrique) augmente le rendement jusqu’à 45 % !

Les cellules à colorants sont étudiées en détail. Selon le pôle de la batterie, il est utilisé du TiO₂ divisé sur lequel des colorants sont adsorbés et du carbone.
Les colorants sont des complexes métalliques à base de ruthénium et de cobalt. Le cas particulier d’une pérovskite et d’un colorant à base de plomb (CH₃NH₃PbI₂) est très prometteur en raison d’un coût très favorable.

Les polymères organiques conducteurs N et P terminent le cours : le contrôle des BV et HO y est plus simple tout comme la présentation des nanostructures des électrodes.

En conclusion, les dernières avancées des cellules «tandem» inorganique- organique avec des rendements record sont envisagées.

Le soleil libère en une heure l’équivalent de l’énergie mondiale consommée en un an. Le sujet de ce cours est d’étudier comment utiliser cette énergie solaire, source inépuisable d’énergie et l’eau, ressource la plus abondante sur la planète, pour répondre à la demande énergétique mondiale, qui est d’installer 28 TW vers 2050.

L’idée est ici de convertir l’énergie solaire en hydrogène, vecteur d’énergie, par photo-électrolyse de l’eau, via des cellules sans fil.
L’énergie du spectre solaire du visible de 3,1 à 1,8 eV permet de réaliser l’électrolyse de l’eau avec des jonctions semi-conductrices tout en tenant compte des surtensions des couples redox de l’eau.

Les semi-conducteurs sont TiO₂ ou Fe₂O₃ dopés. La photoanode est de type N et la photocathode de type P. La modification nécessaire du gap dépend de l’électronégativité, des angles de liaison dans les perovskites distordues et des substituants engagés. Si les mécanismes restent compliqués, les études expérimentales sont très développées.

Des avancées technologiques sont ensuite présentées. Par exemple les électrocatalyseurs minéraux, à base de cobalt, ou organiques, à base de pyridine, diminuent considérablement les surtensions. La photosynthèse est analysée et des photo-médiateurs essaient de la mimer. Des associations de conducteurs permettent d’utiliser deux photons d’un coup ! L’ensemble nécessite la mise au point de membranes conductrices à la fois des protons et des électrons, car la cellule de conversion est sans fil.

Une conclusion donne les ordres de grandeur des quantités d’eau qu’il faudrait convertir pour répondre à la demande énergétique actuelle. La réponse est encourageante, malgré le faible rendement de la photo électrolyse, compte tenu du caractère inépuisable de l’énergie solaire et de l’abondance de l’eau sur la Terre.

La bonne conductivité ionique au sein de la membrane, à l’interface électrolyte/électrodes et au sein des électrodes, est capitale pour avoir des batteries ou piles à combustible performantes.

Un rappel très pédagogique sur les conducteurs ioniques est donné en introduction.

Le principe des membranes échangeuses d’ions et des piles à combustible est précisé avec soin.

Les structures des céramiques conductrices sont ensuite abordées en détail avec les défauts de Frenkel et de Schottky nécessaires pour augmenter la conductivité dans les électrolytes solides.

Des exemples de conductivité sont abordées ; par exemple la conduction avec les ions O^2- dans ZrO₂ ou dans Bi₂O₃, avec les ions yttrium, Y³⁺ dans les zircones dopées à l’yttrium. L’influence de la polarisabilité sur la conductivité est mise en évidence ; ainsi les structures ioniques à base de Lithium parmi les sulfures sont de très bons conducteurs.

La conduction due à des ions lithium, Li⁺, est analysée avec les perovskites, de formule LaTiO₃, dopé avec Li⁺ ou des ions Na⁺ dans la β alumine qui est actuellement la référence.

Ces études sont à la base de la mise au point de la dernière génération des batteries lithium-ion, dites « tout solide».

En conclusion les techniques industrielles sont évoquées avec la fabrication type plasma par exemple chez Toyota.

Un des objectifs dans l’amélioration d’une batterie est d’en augmenter sa capacité spécifique massique exprimée en Ah/kg et sa densité d’énergie massique exprimée en Wh/kg. Les deux facteurs  augmentent si le matériau est léger. Le lithium étant le plus léger des métaux est donc un élément de choix sur ce critère.

Les densités d’énergie massique et volumique croissent avec la différence du potentiel entre les deux électrodes ou avec le nombre d’électrons échangés ou avec les deux à la fois.

L’exposé détaille comment influencer ces facteurs en jouant sur les composés et la structure des matériaux qui constituent les électrodes, dans le cas de la batterie lithium-ion. Il s’agit tout particulièrement de faire des substitutions de cations ou d’anions.

De base une batterie Li-ion est constituée d’une électrode en carbone et d’une autre en oxyde de cobalt lithié. L’ion lithium est un constituant d’insertion dans les deux électrodes. Le principe de la migration des ions lithium, Li⁺, est rappelé.

Les matériaux d’insertion dans les électrodes sont présentés sur l’exemple des alcalins avec la théorie des bandes. Une démarche inductive est présentée à propos de l’influence de l’ionicité de la liaison sur le potentiel

Des exemples de réalisation de substitutions partielles des cations lithium sont exposés ; d’abord par le molybdène (sous forme de sulfure de molybdène) mais la formation de dendrite peut entrainer des explosions…, puis par le cobalt conduisant à des composés de formule Li_1-xC _xO₂ et donnant des structures en feuillets ou par des mélanges nickel, cobalt, manganèse (Ni²⁺, Co³⁺, Mn⁴⁺), ou encore par l’introduction de ruthénium (Ru) ou d’étain (Sn).

Des composés polyanioniques sont utilisés tels que des composés de phosphate et de fluorophosphate de cobalt.

L’exemple de matériaux 3D de type spinelles jouant le rôle de tunnel à ions Li⁺ , comme par exemple Mn_2-yAl_yO_4-zF_z utilisé par Renault-Nissan, est évoqué.

Des substitutions d’anions sont aussi utilisées pour augmenter le potentiel et la puissance.

Ces substituions d’anions ou de cations s’appuient sur des études de DFT (Density Functional Theory) qui permettent de calculer les potentiels des électrodes réalisées.

Un rappel sur l’énergie sous toutes ses formes introduit le problème. Le bilan de la faible efficacité énergétique d’une lampe à incandescence est traité et permet de prendre conscience des pertes liées à la conversion et la distribution de l’énergie.

Les avancées dans le captage de l’énergie solaire par les technologies photovoltaïque et thermique sont expliquées.

Les conversions entre énergie éolienne et énergie photoélectrique sont comparées. Les différents types de stockage de l’énergie électrique sont étudiés tels que les stockages hydraulique et mécanique (batterie mécanique) et une étude particulière sur le stockage électrochimique est développée sur l’exemple des batteries Pb, Ni/Cd, Li/ions. On y découvre les types d’électrodes, d’électrolytes, et les membranes polymériques utilisées. Une conclusion met l’accent sur les matériaux du futur : matériaux organiques, recyclage, nanomatériaux, matériaux bifonctionnels (redox et optique par exemple).