Effects of confinement in mesoporous silica and carbon nanostructures.

Etude des effets de confinement dans la silice mésoporeuse et dans certaines nanostructures carbonées.

Vincent Leon (1, 2)

1 CRMD - Centre de Recherche sur la Matière Divisée
2 IPNS - Intense Pulsed Neutron Source

Physico-chemical properties of materials can be strongly modified by confinement because of the quantum effects that appear at such small length scales and also because of the effects of the confinement itself. The aim of this thesis is to show that both the nature of the confining material and the size of the pores and cavities have a strong impact on the confined material. We first show the effect of the pore size of the host mesoporous silica on the temperature of the solid-solid phase transition of silver selenide, a semiconducting material with enhanced magnetoresistive properties under non-stoichiometric conditions. Narrowing the pores from 20 nm to 2 nm raises the phase transition temperature from 139oC to 146oC. This result can be explained by considering the interaction between the confining and confined materials as a driving force. The effects of confinement are also studied in the case of hydrogen and deuterium inside cavities of organized carbon nanostructures. The effects that appear in the adsorption/desorption cycles are much stronger with carbon nanohorns as the host material than with C60 peapods and single-walled carbon nanotubes.

Les propriétés physico-chimiques des matériaux confinés sont modifiées parfois de manière drastique, à cause des effets quantiques apparaissant à des tailles aussi petites, mais aussi de par le confinement lui-même. Le but des travaux effectués durant cette thèse est de montrer que la nature du matériau confinant et la taille des sites de confinement - autrement dit les pores ou cavités – ont une influence essentielle sur les propriétés des matériaux ou fluides confinés. Nous avons ainsi tout d'abord démontré l'effet de la taille des pores de la silice mésoporeuse sur la température de transition de phase solide-solide d'un semi-conducteur aux propriétés de magnétorésistance exacerbées dans des conditions non-stœchiométriques, le séléniure d'argent. Il s'avère que plus les pores sont étroits, c'est-à-dire pour des diamètres d'ouverture passant de 20 nm à environ 2 nm, cette température de transition de phase passe de 139oC à 146 oC, les forces directrices expliquant ce phénomène étant les interactions entre la surface du milieu confinant et le matériau confiné. Les effets de confinement ont également été étudiés dans le cas de fluides, l'hydrogène et le deutérium, dans les nanostructures carbonées organisées, avec dans ce cas un effet de structure très important, les cycles adsorption/désorption étant particulièrement efficaces avec les structures en nanocornets contrairement aux C60-peapods et aux nanotubes de carbone.

Mots clés: confinement; silver selenide; nanoparticles; mesoporous silica; hydrogen storage; carbon nanotubes; nanohorns; C60 peapods; neutron scattering; x-ray diffraction; nanotubes de carbone; nanocornets; C60-peapods; structure; diffusion des neutrons; rayonnement synchrotron; diffraction des rayons X; séléniure d'argent; nanoparticules; silice mésoporeuse; stockage d'hydrogène; deutérium

Domaines: Matériaux

Vincent Leon. Etude des effets de confinement dans la silice mésoporeuse et dans certaines nanostructures carbonées.. Matériaux. Université d'Orléans, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00107124v2⟩