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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université 8 mai 1945 Guelma Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie des Procédés MEMOIRE Présenté en vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER ETUDE DES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DES OXYDES DE TITANE OBTENUS PAR VOIE SOL-GEL Filière : Génie des Procédés Option : Génie des Matériaux Par HAMAM ABDERRAZAK Devant le Jury : Abed Mohamed AFFOUNE Professeur Univ. 8 Mai 1945 Guelma Président Hamid SATHA Professeur Univ. 8 Mai 1945 Guelma Rapporteur Abderrafik NEMAMCHA M/C-A Univ. 8 Mai 1945 Guelma Examinateur Année 2012 A mes très chers parents, ceux qui ont attendu avec patience le fruit de Leurs sacrifices et leur bonne éducation A mes frères et sœurs A ma grande famille A tous mes amis Témoignage de ma grande reconnaissance…. Remerciements Remerciements Ce travail a été réalisé au Laboratoire de recherche d’analyses industrielles et de génie des matériaux de Guelma (AIGM). Je tiens à exprimer ma grande gratitude à Monsieur Hamid SATHA professeur à l’université de Guelma pour avoir dirigé ce travail. Je le suis reconnaissant pour la confiance qu’il m’a portée et pour la disponibilité dont il a fait preuve tout au long de ces deux années. Ses qualités humaines, ses conseils et sa gentillesse m’ont été d’un soutien inestimable pour mener à bien ce travail. Je suis sensible à l’honneur que m’a fait Monsieur A.M. AFFOUNE professeur à l’université de Guelma, d’avoir accepté de présider ce jury. J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur A. NEMAMCHA maître de conférences à l’université de Guelma pour avoir accepté d’être l’examinateur de ce travail. Un grand merci à Monsieur L. MAKHLOUFI professeur à l’université de Béjaia pour son aide concernant les mesures thermiques et spectroscopiques, Qu’il trouve dans ce travail le témoignage de mon affection. Enfin, un grand merci à mes proches qui ont su, tout au long de ces dernières années, m'encourager et, surtout, être là lorsque j’en avais besoin. Particulièrement à ma famille qui m’avait présenté toute sorte de soutien pour mener à bien ce projet. Liste des figures i Figures Pages Figure I.1: Rayon critique de nucléation………………………………………………………..8 Figure I.2: Gel physique.……………………………………………………...………………...9 Figure I.3: Gel chimique………………………………………………………………………..10 Figure I.4: Formation d'un xérogel par évaporation de l'eau contenu dans un gel…………..…12 Figure I.5: Représentation schématique du passage d'un gel à un aérogel……………………..13 Figure I.6: Différentes morphologies des gels…...……………………………………………..20 Figure I.7: Caractérisations macroscopiques de la transition Sol-Gel ……..…………………..21 Figure I.8: Produits des principales évolutions du sol-gel…………...……..…………………..22 Figure II.1: Transitions de phase de l’oxyde de titane TiO2 ......................................................27 Figure II.2.(a): Structure anatase de TiO2 …………………...…………………………………29 Figure II.2.(b): Maille quadratique de la phase anatase de TiO2……………………………….29 Figure II.3.(a): Structure rutile de TiO2………………………………………………………...30 Figure II.3.(b): Maille quadratique de la phase rutile de TiO2…………………………………30 Figure II.4: Structure cristalline brookite de TiO2………...……………………………………31 Figure II.5: Schéma de principe de l’ATD..………………………………………………….…37 Figure II.6: Appareil d’analyse thermique différentielle et thermogravimétrie, couplées de type shimadzu DTG 60 …………...……….…………………………………………………………39 FigureII.7: Four de la TGA 60 et emplacement des creusets.…………………………………………40 Figure II.8: Appareil de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier………….………..42 Figure III.1: Etapes suivies pour obtenir un matériau dense par le procédé sol-gel.…………...43 Figure III.2: Aspect des gels après séchage (a) : gel acide, (b) : gel basique, (c) : gel neutre.....47 Figure III.3: Spectre d’absorption infrarouge du gel basique en pastille dans KBr…...………..49 FigureIII.4: Spectre d’absorption infrarouge du gel acide en pastille dans KBr. ........................ 50 FigureIII.5: Spectre d’absorption infrarouge du gel neutre en pastille dans KBr. ...................... 51 FigureIII.6: Thermogrammes des xerogels simples : A catalyse basique, B Catalyse acide, C milieu neutre ............................................................................................................................. 53 FigureIII.7: Aspect des gels après séchage (a) : gel acide CH3COOH (1N), (b) : gel acide CH3COOH (5N)…………………………………………………………………………………55 FigureIII.8: Thermogrammes des xerogels simples : A catalyse acide CH3COOH (1N) , B catalyse acide CH3COOH (5N)……………………………………………………………...56 FigureIII.9: Aspect de gel après séchage (c) : gel basique NH4OH (5N)……………………... 58 FigureIII.10: Thermogrammes des xerogels simples : C Catalyse basique NH4OH (5N)…….. 58 Liste des figures ii FigureIII.11: protocole sol-gel de synthése des xerogels composite TiO2 /SiO2. ........................ 61 FigureIII.12: Aspect des xerogels composites TiO2 /SiO2 obtenus avec différentes compositions des deux précurseurs (a): 20% de TiO2 , (b): 40% de TiO2 , (c): 50% de TiO2 , (d): 60% de TiO2………………………………………………………………………………………………62 FigureIII.13: Spectre d’absorption infrarouge des xérogels composites en pastille dans KBr….63 FigureIII.14: Thermogrammes des xérogels composites…………………………………….. ...67 Liste des tableaux iii Tableaux Pages Tableau 1: Réactions se produisant lors du procédé sol-gel .......................................................... 1 Tableau 2: Produits obtenus en fonction de la vitesse relative d’hydrolyse et de condensation ....................................................................................................................................................... 21 Tableau 3: Indices de réfraction des polymorphes de TiO2. ........................................................ 32 Tableau.4: Quantités de réactifs utilisées pour la préparation des gels acides, basiques et neutres. ....................................................................................................................................................... 47 Tableau.5: Quantités des réactifs utilisées pour la préparation des gels acides CH3COOH (1N), gels acides CH3COOH (5N) et basiques NH4OH (5N). ............................................................... 59 Tableau 6: Quantités des réactifs utilisées pour la préparation des gels composites de TiO2 /SiO2. ....................................................................................................................................................... 62 SOMMAIRE Sommaire Liste des figures ............................................................................................................. i Liste des tableaux ......................................................................................................... iii Introduction Générale Introduction Générale ..................................................................................................... 1 Chapitre I: Etude bibliographique I.1. Procédé sol-gel ....................................................................................................... 3 I.1.1. Généralités ......................................................................................................................... 3 I.1.2. Elaboration des gels ........................................................................................................... 4 I.1.2.1. Destabilisation des solutions colloidales (DSC) ......................................................... 4 I.1.2.2. Polymerisation d’especes moleculaires (PEM) .......................................................... 5 I.2. Les sols .................................................................................................................. 7 I.2.1. Nucléation et croissance des particules. ............................................................................ 7 I.3. Les gels ..................................................................................................................................... 9 I.3.1. Les différents systèmes ...................................................................................................... 9 I.3.1.1. Gels physiques, thixotropie et réversibilité. ................................................................ 9 I.3.1.2. Gels chimiques .......................................................................................................... 10 I.4 Gélification .............................................................................................................................. 10 I.5 Séchage des gels ...................................................................................................... 11 I.5.1 Le séchage courant et les xérogels .................................................................................... 11 I.5 .2 Les séchages particuliers et les aérogels .......................................................................... 12 I.6 Rétrécissement ........................................................................................................ 11 I.7 Fissuration .............................................................................................................. 18 I.8 Itinéraire Pour éviter les fissurations. ...................................................................................... 19 I.9 Densification des gels. ............................................................................................................. 19 I.9.1 Recuit ................................................................................................................................ 18 I.9.1.1. Transformation de Phase .......................................................................................... 18 I.9. 1.2 Recuit à basse température des hydroxydes métalliques. ........................................ 18 I.10 Evolution des pores. ............................................................................................................... 19 I.11 La transition sol-gel et ses produits finis. .............................................................................. 19 Sommaire I.12 La calcination. ........................................................................................................................ 23 I.13 Paramètres influençant les mécanismes réactionnels du sol-gel. ........................................... 24 I.14 Avantages et inconvénients du procédé sol-gel. .................................................................... 25 Chapitre II: Matériaux utilisés et techniques de cratérisation II.1 Le dioxyde de titane ................................................................................................ 27 I.1.2. Les différentes structures cristallines de TiO2 ................................................................. 2 8 I.1.2.1. La structure anatase ................................................................................................... 2 8 I.1.2.2. La structure rutile ...................................................................................................... 3 0 I.1.2.2. La structure brookite ................................................................................................. 3 1 II.1.3. Propriétés optiques .............................................................................................. 32 II.1.4. Propriétés électroniques. ....................................................................................... 32 II.1.5. Propriétés photochimiques de TiO2 ........................................................................ 32 II.1.6. Les domaines d'applications du dioxyde de titane ..................................................... 33 II.1.7. Voies de synthèse de l’oxyde de titane .................................................................... 34 II.1.8. Importance de la maitrise de la taille des nanoparticules de TiO2 ................................ 34 II.2. Les techniques de caractérisation ............................................................................. 35 II.2.1 Analyses thermiques ........................................................................................................ 35 I.2.1.1. Analyse thermique différentielle (ATD) ................................................................... 3 5 I.2.1.2. Analyse thermogravimétrique (TGA) ....................................................................... 3 7 I.2.1.3. Instrumentation ......................................................................................................... 3 9 II.2.2. Spectroscopique infrarouge (IR) ................................................................................... 40 I.2.2.1. Instrumentation ......................................................................................................... 4 2 Chapitre III: Elaboration et caractérisation des xérogels III.1. Elaboration et caractérisation des xérogels simples .................................................... 43 III.1.1. Elaboration .................................................................................................................... 45 III.1.1.1 Gels basiques ........................................................................................................... 45 III.1.1.2 Gels acides ............................................................................................................... 46 III.1.1.3 Gels neutres ............................................................................................................. 46 Sommaire III.1.2 Caractérisation par spectroscopie infrarouge ................................................................. 47 III.1.3 Caractérisation par analyse thermique differentielle et thermogravimétrie ................... 51 III.1.4 Gels acides avec le deuxième catalyseur l’acide acétique (CH3COOH) ........................ 54 III.1.4.1 Elaboration .................................................................................................................. 54 III.1.4.1.2 Gels acides (1N) ................................................................................................... 54 III.1.4.1.3 Gels acides (5N) ................................................................................................... 55 III.1.5 Caractérisation par analyse thermique differentielle et thermogravimétrie ................... 55 III.1.6 Gels basiques (5N) ......................................................................................................... 57 III.1.7 Caractérisation par analyse thermique differentielle et thermogravimétrie ................... 58 III.2. Elaboration et caractérisation des xérogels composites................................................ 60 III.2. 1. Elaboration ................................................................................................................... 61 III.2.2 Caractérisation par spectroscopie infrarouge ................................................................. 63 III.2.3 Caractérisation par analyse thermique differentielle et thermogravimétrie ................... 65 Conclusion générale ……………………………………………………………………………..69 Perspectives ……………………………………………………………………………………...71 Références bibliographiques ......................................................................................................... 72 Annexes Résumés INTRODUCTION GENERALE Introduction générale 1 Introduction Générale La technique sol-gel est un procédé permettant la synthèse des verres, des céramiques, des composites et des nanomatériaux, à partir de précurseurs en solution. 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. Les deux principales voies possibles pour la synthèse sol-gel sont la déstabilisation d’une solution colloïdale et la polymérisation d’espèces moléculaires. La déstabilisation d'une solution colloïdale fait appel à la chimie des systèmes colloïdaux : le milieu de dispersion est un liquide dans lequel le solide est très faiblement soluble. Ces systèmes divisés sont obtenus par dispersion d'une phase solide massive par action mécanique de broyage et chimique de peptisation ou par synthèse à partir d'une solution. La stabilité de ces dispersions dépend de l'aptitude des particules à s'agglomérer et donc de leurs charges de surface. Lorsque les charges de surface sont élevées, le sol est stable. Si on déstabilise le sol ou uploads/Geographie/ mg-511.pdf