La chimie au service des nanotubes de carbone

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "La chimie au service des nanotubes de carbone"

Jean-René Meloche
il y a 8 ans
Total affichages :

1 La chimie au service des nanotubes de carbone Claire Hérold Institut Jean Lamour Département Chimie et Physique des Solides et des Surfaces Equipe matériaux carbonés

2 Les matériaux carbonés de basse dimensionnalité 1D 2D Graphite P6 3 /mmc Nanotubes de carbone Fullerène Fullerite 0D Fm3m Hybridation sp 2 ou intermédiaire sp 2 sp 3 : différentes variétés allotropiques chimie très riche : réactions d oxydo-réduction, greffage de fonctions de surface, Matériaux originaux

intermédiaire sp 2 sp 3 : différentes variétés allotropiques chimie très

Les nanotubes de carbone STRUCTURE liaisons fortes, anisométrie élevée PROPRIÉTÉS EXCEPTIONNELLES mécaniques, électriques, thermiques stabilité chimique, faible densité, APPLICATIONS POTENTIELLES

3 Les nanotubes de carbone STRUCTURE liaisons fortes, anisométrie élevée PROPRIÉTÉS EXCEPTIONNELLES mécaniques, électriques, thermiques stabilité chimique, faible densité, APPLICATIONS POTENTIELLES nanoélectronique, composites, matériaux biologiques, NASA Ebbesen, Physics Today 1996; Chico et al. Phys Rev Lett 1996; Ajayan, Chem. Rev. 1999; Treacy et al. Nature 1996; Rao et al. ChemPhysChem 2001; Thostenson et al. Composites Science and Technology 2005; Dekker, Physics Today 1999; Dvir et al. Nature Nanotechnology 2011

Ebbesen, Physics Today 1996; Chico et al. Phys Rev Lett 1996; Ajayan, Chem. Rev. 1999; Treacy et al. Nature 1996; Rao et al.

4 La synthèse Dans l IJL : CVD et arc électrique Arnold, Nature Nanotechnol Méthodes de préparation : - caractéristiques des échantillons - compréhension des mécanismes pureté, contrôle diamètre/longueur, tri Pour de petites quantités LeMieux et al, Science quantité importante (le gramme) - nanotubes monofeuillets (SWNTs) - peu de défauts de structure 20 nm arc électrique : méthode de choix

pureté, contrôle diamètre/longueur, tri Pour de petites quantités LeMieux et al, Science 2008 -

difficiles à disperser Traitements chimiques : Purification Modification des

5 De la synthèse à l utilisation 500 nm Journet at al. Nature 1997 enchevêtrés, assemblés en faisceau, impurs, peu réactifs, difficiles à disperser Traitements chimiques : Purification Modification des propriétés de surface : dispersion, manipulation, mise en forme Mise à profit des propriétés des nano-objets

6 La purification des SWNTs catalyseurs nécessaires à la synthèse : métaux modification des propriétés (électriques, magnétiques) Difficiles à éliminer : protégés par des coques carbonées multi-couches Chattopadhyay et al. Carbon 2002; Cho et al. Carbon 2009; Banerjee et al. J. Phys. Chem. B 2002 Méthodes de purification utilisées : oxydation + solubilisation dans acides forts réaction avec les SWNTs - Introduction de défauts, consommation faible rendement - Densification forte de l échantillon réactions chimiques ultérieures difficiles - Multi-étapes = nombreux paramètres optimisation délicate Nouveaux traitements chimiques : - Elimination sélective des métaux - Pas de réaction avec les SWNTs - Conservation de l état aéré - Limiter le nombre d étapes (à une)

B 2002 Méthodes de purification utilisées : oxydation + solubilisation dans acides forts réaction avec les SWNTs - Introduction de défauts, consommation faible rendement - Densification forte

7 Nouvelle procédure : Traitement thermique sous flux de dichlore Mécanisme : 2 phénomènes concomitants s amplifiant l un-l autre particule métallique protégée M Cl 2 chlorure métallique M x Cl y coque carbonée vide 25 nm chloration dilatation sublimation pas de réaction Cl 2 SWNT, 1 étape, phase vapeur Brevet n FR CNRS-UHP-INPL, Octobre 2010

chlorure métallique M x Cl y coque carbonée vide 25 nm chloration dilatation

8 Observations par MET

12 800 C, 2h 950 C, 2h 1050 C, 2h 1100 C, 2h Concentration en Nickel (%) Normalized intensity (a.u.) Efficacité du traitement Spectroscopie Raman 8 7 ATG, Magnétisme Avant traitement Avant traitement 950 C, 2h 1050 C, 2h 6 5 Procédure classique Raman shift (cm -1 ) 1100 C, 2h 4 = 514,5 nm 3 Nouvelle procédure Structure préservée Conditions de traitement Forte diminution de la concentration en catalyseur Intérêts de cette méthode : - peu consommatrice d échantillon - structure des nanotubes préservée - état aéré maintenu Première étape franchie

2 Avant traitement 950 C, 2h 1050 C, 2h 6 5 Procédure classique 0.

13 Modification des propriétés de surface par des traitements chimiques Fonctionnalisation Greffage sur une double liaison C=C Choix des fonctions greffées Vigolo et al dispersion, compatibilisation fonctionnalités Réaction d oxydo-réduction Chimie douce Transfert électronique Réaction de réduction par un métal alcalin : - En milieu solvant K, THF Pénicaud et al. JACS, En phase gazeuse Li, Na, K, Rb, Cs Rao et al. Nature, 1997 Hirsch, Angew. Chem. 2002; Tasis et al. Chem. Rev. 2006; Niyogi et al. Acc. Chem. Res.2002

2009 dispersion, compatibilisation fonctionnalités Réaction d oxydo-réduction Chimie douce Transfert électronique Réaction de

Sites possibles pour M Sites interstitiels inoccupés Sites interstitiels

14 Réduction des SWNTs par un métal alcalin M - M + - M M + - M + - M + - M+ M + M + Dispersion spontanée (solvant polaire) Avant Après Sel ionique Sites possibles pour M Sites interstitiels inoccupés Sites interstitiels occupés Dispersion dans un solvant polaire Faisceaux non modifiés Individualisation

15 Etat des faisceaux Vigolo et al. J. Phys. Chem. C, 2009 Désassemblage et ouverture des faisceaux à partir des extrémités Remplissage partiel des sites interstitiels Nouvelles structures carbonées ramifiées

partir des extrémités Remplissage partiel des sites

16 Conclusion Deux exemples de traitement chimique : Purification des échantillons de SWNTs par le dichlore Chimie douce : élaboration de nanostructures ramifiées Améliorer // contrôler les nano-objets Chimie : élaboration de nouveaux (bio)matériaux Nature, Celebrating Chemistry

nanostructures ramifiées Améliorer // contrôler les nano-objets

17 Remerciements Brigitte Vigolo Guillaume Mercier Sébastien Cahen Jean-François Marêché Fabrice Valsaque Edward Mc Rae Lionel Aranda Ghouti Medjahdi Christine Bellouard Jaafar Ghanbaja Gianrico Lamura Jérôme Gleize

Valsaque Edward Mc Rae Lionel Aranda Ghouti Medjahdi

Documents pareils

Fonctionnalisation de surfaces de carbone nanostructuré et son effet sur la réponse électrochimique

Fonctionnalisation de surfaces de carbone nanostructuré et son effet sur la réponse électrochimique Méthodes d analyses chimiques et microbiologiques dites alternatives ou rapides : Biocapteurs Utilisation