Les stratégies d’implémentation des nanoparticules révèlent des méthodes innovantes pour la dégradation du phénol, un polluant majeur. Cette recherche, fondée sur le procédé sol-gel non-aqueux, promet de transformer notre compréhension des nanoparticules catalytiques et de leur impact environnemental.
Chapitre III : Les méthodes de synthèse et les techniques d’analyses
Sommaire
Introduction… 27
- Procédés d’élaboration des nanoparticules 27
- Solvothermale 27
- Hydrothermale 27
- Précipitation 28
- Le procédé sol-gel 28
- Historique 28
- Définition de la méthode sol-gel 29
- Principe de la méthode sol-gel 30
- Description de la méthode 30
- La méthode sol-gel aqueux… 31
- La méthode sol-gel non aqueux… 33
- Les techniques d’analyses 36
- Analyse par diffraction des rayons X (DRX) 36
- Analyse par spectrophotométrie UV-VIS 37
- Analyse par Infrarouge (IR) 39
- Analyse par Microscopique Electronique à Transmission (MET) 40
- Chromatographie liquide à haute performance (HPLC) 41
- Procédés d’élaboration des nanoparticules 27
Introduction :
Les méthodes de synthèse de nanoparticule du trioxyde de tungstène sont dévires et variées et permettent d’obtenir d’un grand nombre de tailles et de morphologies. Certaines méthodes nécessitent une expertise particulière ou des installations couteuses telles que l’électrodispersion, la pulvérisation-pyrolyse et la condensation par évaporation.
Des méthodes existantes certaines sont très accessibles et peu laborieuses. On trouve parmi celles-ci la précipitation, le sol gel, synthèse hydrothermale et la synthèse solvothermale. Les méthodes de chimie douce telles que la voie solvothermale, hydrothermale et sol-gel constituent une succession de réactions entre un ou plusieurs précurseurs (soluble ou insoluble) en présence de solvants aqueux ou non aqueux dans un système fermé.
Les mécanismes réactionnels mis en jeu lors de ces synthèses de matériaux sont généralement une hydrolyse suivie d’une condensation et d’une thermolyse. Les particules obtenues peuvent être séparées du solvant soit par décantation, soit par séchage. Ces synthèses s’accompagnent de nombreux travaux de caractérisation fine des interactions entre atomes ou molécules, parmi celle diffraction par des rayons X, Microscopie électronique en transmission,…….
III .1 Les procédés d’élaborations :
III .1.1 Solvothermale :
La méthode solvothermale est particulièrement appropriée de ce point de vue, car leurs systèmes d’action sont relativement simples, en particulier lorsqu’aucun agent tensioactif ou agent de coiffage n’est utilisé. La synthèse de nanoparticules par voie solvothermale se déroule en présence de solvants aqueux tels que la triméthylamine ou le diméthylformamide à une température supérieure à leur température d’ébullition.
Plusieurs réactions courantes se produisent dans la synthèse, notamment les réactions de thermolyse et de métathèses 1, et les nanoparticules obtenues par cette méthode sont séparées du solvant par décantation. Les synthèses réalisées par voie solvothermale assurent un meilleur contrôle de la morphologie, de la cristallinité et de la monodispersité des nanoparticules que par la voie hydrothermale 2.
III .1.2 Hydrothermale :
La synthèse de nanoparticules par voie hydrothermale a lieu quant à elle dans un solvant, de l’eau à une température supérieure à 100 °C et à des pressions supérieures à 1 atm, dans une enceinte fermée 3.
Les nanoparticules sont également obtenues par décantation. Cette méthode de synthèse s’appuie sur l’utilisation de solutions aqueuses pour dissoudre, à haute température et à haute pression, des substances (oxydes ou sulfures) pratiquement insolubles dans des conditions normales. Ainsi, la synthèse de certains matériaux inaccessible par des voies conventionnelles est réalisable par la méthode hydrothermale.
En effet, cette dernière a comme avantage de ne pas supprimer les interactions faibles telles que les liaisons hydrogène ou Van Der Waals. Ces liaisons sont incorporées dans l’assemblage des précurseurs moléculaires afin de jouer un rôle essentiel lors de la formation du réseau. Cette dernière méthode a été récemment développée, tant en chimie du solide qu’en sciences des matériaux pour élaborer des nanoparticules.
Figure1 : Synthèse des nanoparticules par la méthode solvothermale(a) et hydrothermale(b).
III .1.3 Précipitation :
La précipitation consiste à faire précipiter un sel métallique sous l’effet d’une sursaturation induite par changement de température, de pH ou de force ionique. Les particules sont précipitées sous forme d’hydroxydes métalliques qui, après calcination, forment des oxydes. On limite la croissance des germes soit par contrôle de la concentration du précurseur, du pH ou de la température.
On peut aussi utiliser des tensioactifs ou des agents stabilisants pour modifier la morphologie. Il est aussi possible d’utiliser deux précurseurs métalliques différent pour former des oxydes mixtes, c’est la Co-précipitation 4. Cette méthode est très facile à utiliser et peu couteuse. Cependant, elle ne permet pas d’avoir un contrôle strict sur la morphologie des particules et certains oxydes sont difficilement obtenus par cette méthode.
III .2. Le procédé sol-gel :
III .2.1 Historique :
Historiquement, la première description de la synthèse « sol-gel » remonte à 1845 lors de la découverte de la « conversion en verre solide de l’acide silicique exposé à l’air humide » par le chimiste français J. J. Ebelmen 5.
Il fit réagir le SiCl4 avec l’éthanol pour former le tétra éthyle ortho silicate (TEOS). Cependant, il a fallu attendre près d’un siècle pour que le procédé soit repris et utilisé par l’industrie verrière. Le premier brevet sol-gel a été déposé en 1939 par la société allemande Schott Glaswerke pour la réalisation de rétroviseurs 6.
Beaucoup d’autres produits ont suivi comme des revêtements antireflets, des vitrages autonettoyants, des revêtements résistants à la rayure ou à la corrosion. Ainsi, la méthode sol-gel a connu un essor considérable qui s’étend encore dans plusieurs domaines technologiques, en particulier l’optique, l’électronique, les biomatériaux et la catalyse 7, 8. On peut ainsi via ce procédé sol-gel, aussi appelé « chimie douce » 9, 10, élaborer une grande variété de matériaux sous différentes formes (monolithes de verres ou de céramiques, fibres, composites, gels poreux ou membranes, films ou
couches minces, poudres…).
III .2.2 Définition de la méthode sol –gel :
La technique sol-gel est un procédé d’élaboration des matériaux permettant la synthèse de verres, de céramiques et de composés hybrides organo-minéraux, à partir de précurseurs en solution. Il permet de réaliser des couches minces constituées d’empilements de nanoparticules d’oxydes métalliques 11. Ce procédé s’effectue dans des conditions dites de chimie douce, à des températures nettement plus basses que celles des voies classiques de synthèse.
Ces conditions offrent également la possibilité d’associer des espèces organiques et minérales pour former de nouvelles familles de composés hybrides organo-minéraux, possédant des propriétés inédites. Il peut être utilisé dans différents domaines tels que l’encapsulation et l’élaboration de matériaux hyper-poreux, mais c’est dans la réalisation de dépôts en couches minces qu’il trouve sa principale application 11.
Figure 2: Les différents types de mise en forme de matériaux Obtenus Par voie Sol-gel 12.
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Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les méthodes de synthèse des nanoparticules catalytiques ?
Les méthodes de synthèse des nanoparticules incluent la précipitation, le sol-gel, la synthèse hydrothermale et la synthèse solvothermale.
Comment fonctionne la méthode sol-gel non aqueux pour la synthèse des nanoparticules ?
La méthode sol-gel non aqueux implique des réactions entre précurseurs en présence de solvants non aqueux dans un système fermé, suivies d’une hydrolyse, d’une condensation et d’une thermolyse.
Pourquoi utiliser la méthode hydrothermale pour la synthèse des nanoparticules ?
La méthode hydrothermale permet de dissoudre des substances pratiquement insolubles à haute température et pression, tout en préservant les interactions faibles comme les liaisons hydrogène.