Composite material synthesis through use of oxide nanoparticles : from the destabilization of colloidal suspensions to the investigation of heteroaggregates properties
Synthèse de matériaux composites à base d'oxydes préformés : de la compréhension des mécanismes de déstabilisation de sols multiconstituants à l'étude des propriétés des hétéroagrégats
Résumé
Since lots of years, aggregation conditions of charged colloids in suspension have been studied in order to control the structure of aggregates [KIM 2003] or the porosity [SNO 2005] of dried materials. We have focused this work on the understanding of the formation and the growth mechanism of heteroaggregates composed of different nature oxide nanoparticles. After validating the proof of heteroaggregation concept with amorphous silica spheres and goethite nanorods, our study has concerned crystalline system in order to show the exposed crystallographic facets of the used particles role in the heteroaggregation mechanism. In a second time, we interested us to the properties generated by the heteroaggregation of oxide nanoparticles. Four families of model particles, isotropic particles of brookite (TiO2) and silica (SiO2), and anisotropic particles of goethite (α-FeO(OH)) and boehmite (γ-AlO(OH), have been synthetized and characterized to know their size, morphology and surface charge. To generate some heteroaggregation, we have developed and adapted to each system a mixing and in situ following methodology by using a Dynamic Light Scattering (DLS) and laser-diffraction. We have identified pH conditions which favored particles heteroaggregation instead of homoagrégation. In this case, the heteroaggregates growth mechanism followed bridging process of the two kinds of particles. Their relative proportions adjustment allows controlling the size and the structure of the heteroaggregates. The reversibility of the heteroaggregation process is limited notably by the aging time of the aggregate in suspension due to the evolution of the interaction nature of the two oxides interface and also due to a critical aggregate size. The heteroaggregates present a specific porosity significantly different from the one kind of particles powders which pores diameters could be controlled by the size and the number of coating particles. Finally, for the mixed systems of heteroaggregated silica - alumina, we have highlighted the possibility to generate some acidic sites to the interface and we have related it to the heteroaggregates catalytic activity according to the m-xylene isomerization.
Depuis de nombreuses années, les conditions d'agrégations de colloïdes chargés en suspension sont étudiées dans le but de contrôler la structure des agrégats [KIM 2003] ou encore la porosité [SNO 2005] des matériaux séchés. Durant cette thèse, nous nous sommes focalisés sur la compréhension des mécanismes de formation et de croissance d'hétéroagrégats composés de nanoparticules d'oxydes de différentes natures. Après validation de la preuve de concept d'hétéroagrégation à partir de sphères de silice amorphe sur des bâtonnets de goethite, notre étude s'est portée sur des systèmes entièrement cristallins afin de montrer le rôle des faces cristallographiques émergeantes des particules utilisées dans le mécanisme d'hétéroagrégation. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux propriétés générées par l'hétéroagrégation des particules d'oxydes. Quatre familles de particules modèles, des particules isotropes de brookite (TiO2) et de silice (SiO2), et des particules anisotropes de goethite (α-FeO(OH)) et de boehmite (γ-AlO(OH), ont été synthétisées et caractérisées en termes de taille, de morphologie et de charge de surface. Pour générer l'hétéroagrégation, nous avons développé et adapté à chaque système une méthodologie de mise en contact des particules et de suivi in situ par Diffusion Quasi Elastique de la Lumière (DQEL) et granulométrie laser. Nous avons identifié des conditions de pH qui favorisent l'hétéroagrégation au détriment de l'homoagrégation des particules. Dans ce cas, le mécanisme d'agrégation et de croissance des agrégats se fait par pontage des deux types de particules. L'ajustement des proportions relatives de chacune permet de contrôler la taille et la structure des hétéroagrégats. La réversibilité du procédé est limitée notamment par le temps de vieillissement des agrégats en solution du fait d'une évolution de la nature des interactions à l'interface des deux oxydes mais aussi par une taille critique de l'agrégat. Les hétéroagrégats présentent une porosité spécifique très différente des poudres homoparticulaires dont le diamètre des pores peut être contrôlé par la taille et le nombre des particules recouvrantes. Enfin, pour les systèmes mixtes silice-alumine hétéroagrégés, nous avons mis en évidence la possibilité de générer des sites acides aux interfaces en relation avec l'activité catalytique des hétéroagrégats au test d'isomérisation du m-xylène.
Loading...