Utilisation de cristaux liquides minéraux comme « template » pour l'élaboration de solide hybride mésostructuré. Stabilisation d'un sol mixte de nanoparticules de zircone yttriée et de rubans d'oxyde de vanadium - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Mesostructured hybrid materials by templating with mineral liquid crystals : stabilisation of a mixed sol of YSZ nanoparticles and V2O5 ribbons.

Utilisation de cristaux liquides minéraux comme « template » pour l'élaboration de solide hybride mésostructuré. Stabilisation d'un sol mixte de nanoparticules de zircone yttriée et de rubans d'oxyde de vanadium

Camille Guiot
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 860346

Résumé

The purpose of this PhD was to investigate innovative soft chemistry ways to prepare hybrid materials with ordered nanostructures. Concretely, research were conducted on the development of a hybrid material made of an yttria-stabilized zirconia (YSZ) matrix templated by a mineral liquid crystal, namely V2O5. In aqueous solutions, vanadium oxide exhibits ribbon-like colloids of typical dimensions 1 nm x 25 nm x 500 nm, stabilized by a strong negative surface charge. Above a critical concentration, the anisotropic colloids assemble into a nematic liquid crystal, whose domains can be oriented within the same direction over a macroscopic range under a weak magnetic field. The idea is to use V2O5 anisotropic colloids as a template for a hybrid material, taking advantage of their ordering behavior. Preliminary experiments revealed a strong reactivity between molecular compounds of zirconium and vanadium oxide. Therefore, the studies were directed toward the preparation of a mixed colloidal sol containing YSZ nanoparticles and vanadium oxide ribbon-like colloids, as a precursor sol for the intended hybrid material. The YSZ nanoparticles are obtained through an outstanding hydrothermal synthesis leading to a stable suspension of nanocrystalline particles of ca. 5 nm, in pure water. Providing a mixed sol of YSZ and V2O5 is a key challenge for it implies the co-stabilization of two types of colloids having different shape, size and surface properties. Besides, the existence of V2O5 in its ribbon-like form requires acidic conditions and very low ionic strength. The first part of this work was then dedicated to the study of electrosteric stabilization of zirconia suspension by addition of acidic polyelectrolytes. Different polymers with carboxylic and/or sulfonic acidic functions were investigated. Based on zeta potential measurements and adsorption isotherms, the influence of molecular weight and polymer charge were discussed. Among the studied polymers, poly vinylsulfonic acid (PVS) led to stable suspensions which fulfill zeta potential and pH requirements assumed to allow contact with V2O5 colloids. Stable mixed YSZ/PVS/V2O5 sols were then obtained, whose stability limits were discussed. The observations highlighted a probable competition between a depletion effect coming from the mixing of colloids of different size and shape, and the stabilization of a 3D gel network originating from the electrostatic repulsion between V2O5 ribbons. The evaporation of such mixed sols led to hybrid solids whose birefringence revealed an anisotropy caused by the presence of V2O5 ribbons. Various techniques were used to characterize the hybrid material, such as X-ray diffraction and electronic microscopy
Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'exploration de méthodes de synthèse innovantes conduisant à des matériaux hydrides structurés à l'échelle nanométrique par les voies de la chimie douce. Cette exploration s'est appuyée sur le développement d'un matériau hybride constitué d'une matrice de zircone yttriée au sein de laquelle est incorporé un cristal liquide minéral d'oxyde de vanadium V2O5. L'oxyde de vanadium en solution aqueuse forme des espèces colloïdales anisotropes ayant la forme de rubans de dimensions typiques 1 nm x 25 nm x 500 nm. Ces colloïdes sont stabilisés par une charge de surface négative, et s'organisent, à partir d'une certaine concentration, en une phase cristal liquide nématique, dont les domaines peuvent être orientés le long d'une direction commune à l'échelle macroscopique par l'application d'un champ magnétique faible. L'objectif est donc d'utiliser ces colloïdes anisotropes comme « template », en tirant parti de leurs propriétés d'organisation collective pour amener un ordre supplémentaire au sein du matériau hybride. Les expériences préliminaires ayant révélé une réactivité particulière de l'oxyde de vanadium vis-à-vis des composés moléculaires du zirconium, les études se sont tournées vers la préparation d'une suspension colloïdale mixte composée de nanoparticules de zircone et de rubans de V2O5, et constituant un sol précurseur du solide hybride envisagé. Les nanoparticules de zircone sont préparées par une synthèse hydrothermale remarquable conduisant à des nanoparticules monocristallines de l'ordre de 5 nm stables en suspension dans l'eau pure. Cependant, la préparation d'un sol mixte d'oxyde de vanadium et de zircone yttriée est très délicate, puisqu'il s'agit de stabiliser ensemble deux types de colloïdes, non seulement de forme et de taille différentes, mais aussi et surtout de charge de surface opposées. De plus, les conditions d'existence des rubans de V2O5 imposent un milieu de pH acide et de force ionique faible. Une première partie de cette thèse est donc dédiée à l'étude de la stabilisation électrostérique de suspensions de zircone par l'ajout de polyélectrolytes acides. L'effet de l'ajout de différents polymères présentant des fonctions acide carboxylique et acide sulfonique a ainsi été étudié. En particulier, l'influence de la masse moléculaire ou de la charge du polymère est discutée à travers les mesures de potentiel zêta et la détermination d'isothermes d'adsorption. Parmi les polymères étudiés, l'acide poly (vinyl sulfonique) (PVS) a permis d'obtenir des suspensions de zircone présentant des propriétés intéressantes en vue de la mise en contact avec les sols aqueux de V2O5. Ainsi, des sols mixtes zircone yttriée / PVS / V2O5 stables ont pu être préparés. Les limites de stabilité de tels sols mixtes sont discutées. Notamment, une compétition entre un effet de déplétion dû au mélange de colloïdes de forme et de taille différentes, et la formation d'un gel tridimensionnel stabilisé par les interactions répulsives entre les rubans de V2O5, semble avoir lieu. L'évaporation de tels sols mixtes a permis de préparer des solides hybrides, dont la biréfringence atteste d'une anisotropie générée par l'insertion de rubans de V2O5 au sein du solide. Ces solides ont été caractérisés par différentes techniques telles que la spectroscopie infrarouge, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission.
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Dates et versions

tel-00384331 , version 1 (14-05-2009)

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  • HAL Id : tel-00384331 , version 1

Citer

Camille Guiot. Utilisation de cristaux liquides minéraux comme « template » pour l'élaboration de solide hybride mésostructuré. Stabilisation d'un sol mixte de nanoparticules de zircone yttriée et de rubans d'oxyde de vanadium. Matériaux. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00384331⟩

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