Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL SYNTHÈSE ET FONCTIONNALISA TION CHIMIQUE DE L'O

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL SYNTHÈSE ET FONCTIONNALISA TION CHIMIQUE DE L'OXYDE DE GRAPHÈNE: PRÉPARATION DE MATÉRIAUX HYBRIDES À BASE D'OXYDE DE GRAPHÈNE ET DE NAN OP AR TI CULES MÉTALLIQUES THÈSE PRÉSENTÉE COMME EXIGENCE PARTIELLE DU DOCTORAT EN CHIMIE PAR PATRICK BRISEBOIS AVRIL 2017 UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL Service des bibliothèques Avertissement La diffusion de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 - Rév.1 0-2015). Cette autorisation stipule que «conformément à l'article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l'auteur] concède à l'Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d'utilisation et de publication de la totalité ou d'une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l'auteur] autorise l'Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l'Internet. Cette licence et cette autorisation n'entraînent pas une renonciation de [la] part [de l'auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l'auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire. » REMERCIEMENTS Je tiens à remercier sincèrement les gens et les orgamsmes financiers qui m'ont supporté tout au long de mes études de doctorat en chimie, en particulier les Professeurs Mohamed Siaj et Ricardo Izquierdo qui m'ont accueilli dans leurs laboratoires. Cette opportunité m'a permis d'approfondir mes connaissances scientifiques en général, plus spécifiquement dans le domaine de la chimie de l'oxyde de graphène. À travers ces années, j'ai eu la chance de côtoyer des personnes exceptionnelles étudiants gradués et de premier cycle, les stagiaires, le personnel de soutien du département de chimie et les membres facultaires. Ces gens ont contribué chaque jour à stimuler les échanges de connaissances et bien sûr, à faciliter le travail de recherche qui est autant exigeant que motivant. Aussi, je dois donner une mention très spéciale aux organismes de financement de la recherche. Tout d'abord, le Gouvernement du Québec pour m'avoir soutenu par le programme de l'aide fmancière aux études et par l'octroi de ma bourse d'excellence du Fonds de recherche du Québec-Nature et technologies (FRQNT). Aussi, je dois mentionner l'apport du Professeur Siaj, de la Faculté des Sciences, de la Fondation J.-A. DeSèves de l'UQAM et du département de chimie qui m'ont supporté sous la forme de bourses supplémentaires. Finalement, je tiens à remercier les professeurs membres du jury d'évaluation de ma thèse qui ont accepté d'évaluer mes travaux de doctorat. Et aussi, je remercie très chaleureusement les coauteurs qui ont contribué par leurs travaux et leurs commentaires à augmenter le contenu scientifique des publications découlant de mes activités de recherche. TABLE DES MATIÈRES REMERCIEMENTS............................................................................................... 11 LISTE DES FIGURES............................................................................................ VIl LISTE DES SCHÉMAS.......................................................................................... Xl LISTE DES TABLEAUX....................................................................................... XJl LISTE DES SYMBOLES, UNITÉS ET ABRÉVIATIONS................................... xm RÉSUMÉ ET MOTS-CLÉS.................................................................................... XVI INTRODUCTION .................................................................................................. . CHAPITRE! PROBLÉMATIQUE............................................................................................... 5 1.1 Introduction................................................................................................. 5 1.1.1 Les allotropes de carbone................................................................ 5 1.1.2 Les matériaux hybrides.................................................................... 7 1.1.3 Applications des matériaux à base de carbone en nanotechnologies.............. ......... ........... ............... ........ ....... .... ......... 9 1.1.4 Synthèse des allotropes de carbone................................................. 10 1.2 Mise en contexte.......................................................................................... 12 1.2.1 Historique de la synthèse de l'oxyde de graphène........................... 12 1.2.2 Structure de l'oxyde de graphène..................................................... 18 1.2.3 Réaction de cycloaddition [ 4+2] sur l'oxyde de graphène............... 25 1.2.4 Synthèse des matériaux hybrides à base d'oxyde de graphène et de nanoparticules métalliques.......................................................... 31 IV CHAPITRE II TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION........................................................... 37 2.1 Introduction................................................................................................. 37 2.2 Microscopie à force atomique (AFM)......................................................... 38 2.3 Microscopie électronique MEB et MET..................................................... 40 2.4 Résonance magnétique nucléaire de l'état solide (RMN-ÉS)...................... 41 2.5 Spectroscopie Raman.................................................................................. 43 2.6 Spectroscopie infrarouge à transformé de Fourier (FT-IR)......................... 45 2.7 Spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)..................... 46 2.8 Spectroscopie d'énergie dispersive (EDS)................................................... 47 2.9 Analyses thermogravimétriques (TG-TGD)................................................ 49 CHAPITRE III SYNTHÈSE ET CARACTÉRISATION DE L'OXYDE DE GRAPHÈNE........... 50 3.1 Matériels et produits chimiques.................................................................. 50 3. 2 Étapes préliminaires.................................................................................... 51 3.3 Méthode de Hummers modifiée.................................................................. 52 3.4 Isolation des monocouches d'oxyde de graphène........................................ 55 3.5 Caractérisation de l'oxyde de graphène....................................................... 58 3.5.1 Microscopie à force atomique (AFM)............................................. 58 3.5.2 Microscopie électronique MEB et MET.......................................... 59 3.5.3 Résonance magnétique nucléaire de l'état solide (RMN-ÉS).......... 60 3.5.4 Spectroscopie Raman....................................................................... 63 3.5.5 Spectroscopie infrarouge à transformé de Fourier (FT-IR)............. 64 3.5.6 Spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)......... 65 3.5.7 Analyses thermogravimétriques (TG-TGD).................................... 67 3.6 Conclusion et perspectives.......................................................................... 68 CHAPITRE IV New insights into the Diels-Alder reaction of graphene oxide ............................. . 4.1 Introduction ................................................................................................ . 4.2 Results and discussion ............................................................................... .. v 69 73 76 4.3 Conclusion................................................................................................... 86 4.4 Experimental Section................................................................................... 87 CHAPITRE V Spontaneous formation of graphene@metal oxide hybrid nanocomposites in aqueous media with tunable fraction of graphitic carbon ...................................... . 5.1 Introduction ................................................................................................ . 5.2 Experimentais ............................................................................................. . 5.2.1 Chemicals ...................................................................................... .. 5.2.2 Synthesis of graphene oxide .......................................................... .. 5.2.3 Preparation of aqueous suspension of GO ...................................... . 5.2.4 Preparation of2M aqueous solution ofmetal salts ........................ .. 5.2.5 Synthesis of GO@MO hybrids ...................................................... .. 5.2.6 Characterization methods ............................................................... . 88 92 94 94 94 95 96 96 97 5.3 Results and discussion.................. ............................................................... 98 5.4 Conclusion................................................................................................... 110 CHAPITRE VI DISCUSSION ET CONCLUSION ......................................................................... 111 VI ANNEXE A Supplementary Information-Chapter IV ............................... :................................. 116 A.1 General Information.................................................................................... 116 A.2 Experimental procedures for compounds............ ............ ........................ .... 119 A.2.1 Synthesis of graphene oxide.... .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 119 A.2.2 Purification of graphene oxide mono1ayers........ ............................. 120 A.2.3 Synthesis of the DA adducts ............................................................ 120 A.2.4 Notes for the Diels-Alder [ 4+2] cycloaddition................................ 120 A.3 Experimental procedures for evaluation of the load (L) of carboxylic a cid functions contained in GO................................................................... 122 A.4 Infrared spectroscopy (FTIR/ATR) data..................................................... 123 A.5 X-Ray photoemission spectroscopy (XPS) data......................................... 125 A.6 Raman spectroscopy data............................................................................ 126 A. 7 Thermogravimetric ana1ysis (TGA) data.................................. .................. 127 A.8 Gibbs free energy (~G) of the [4+2] cycloaddition between nano-sized graphene with modified interior chemistry and maleic anhydride.............. 128 A.9 Optical and SEM images............................................................................. 129 A.10 AFMprofiling ............................................................................................. 130 ANNEXEB Supplementary Information-Chapter V.................................................................. 131 B.l Energy dispersive spectroscopy (EDS)....................................................... 131 B.2 X-Ray photoemission spectroscopy (XPS)-Survey.................................... 132 B.3 X-Ray photoemission spectroscopy (XPS)-Fe, Zn, Al and Mg.................. 133 B.4 X-Ray photoemission spectroscopy (XPS)-Sn........................................... 134 B.5 Thermogravimetric analysis (TGA) data.................................................... 135 RÉFÉRENCES........................................................................................................ 136 LISTE DES FIGURES Figure Page 1.1 Représentation de l'atome de carbone et de ses principaux allotropes. ......... 6 1.2 Représentation simplifiée des matériaux hybrides à base de carbone de type : oxyde de graphène (OG)-allotrope de carbone (A), QG-molécule organique (B), QG-organisme vivant (C) et OG-nanoparticule (D)...... .......... ...... ......... 8 1.3 Structure de l'oxyde de graphène selon les modèles de Hofmann-Holst, de Ruess, de Scholz-Boehm et de Nakajima-Matsuo................................... 21 1.4 Structure de l'oxyde de graphène selon le modèle de Lerf-Klinowski incluant les modifications apportées par Gao et Szabo... .............................. 24 1.5 Diagramme d'énergie et orbitales moléculaires de l'oxyde de graphène (HOMO) et de l'anhydride maléique (LUMO)........ ................. ....... .............. 28 2.1 Agrandissement de la pointe d'un microscope à force atomique (AFM)...... 39 2.2 Processus de diffusion de la lumière en spectroscopie Raman..................... 44 2.3 Schéma représentant le principe de base de la spectroscopie d'énergie dispersive (EDS)........................ ............................................... ..................... 48 3.1 Images photographiques du graphite tamisé (A), des flocons d'oxyde de graphite dans le mélange réactionnel (B), de l'hydrogel dans le tube de la centrifugeuse (C), de l'hydrogellors des transferts à la spatule (D) et du matériel brut récupéré par la méthode modifiée de Hummers (E)....... .. . . . . . . . 54 Vlll 3.2 Diagramme pour l'isolation des monocouches d'OG et la séparation des particules par taille à l'aide de la centrifugation différentielle à haute vitesse et de la filtration sur membrane..................................................................... 57 3.3 Image de microscopie à force atomique (A) et profil de l'épaisseur (d) d'une monocouche d'oxyde de graphène (B).............. .. ...................... .......... ........... 58 3.4 Images de microscopie électronique MEB (A) et MET (B) des monocouches d'OG .................................................................... ........................................... 59 3.5 Spectres de RMN pulsé sur le carbone-13 CH-découplé) de l'OG ayant des particules de dimension comprises entre 0,45 11m et 0,22 Jlm (A), de l'OG aux particules non fractionnées (B) et spectre RMN de polarisation croisée ( 1H-13C) de l'OG aux particules non fractionnées (C) ................................. 62 3.6 Spectre de Raman des feuillets d'OG ............................................................. 63 3.7 Spectre d'FT-IR des feuillets d'OG ................................................................ 64 3.8 Spectre de XPS survol des feuillets d'OG ...................................................... 66 3.9 Spectre XPS de la bande Cls des feuillets d'OG ........................................... 66 3.10 Analyses thermogravimétriques (TG-TGD) des feuillets d'OG.................... 67 4.1 Introduction of Chapter IV: New insights into the Diels-Alder reaction of graphene oxide...... ... . . .. . . . ... . . ... . . . . . . . .. . . .. . uploads/Science et Technologie/ preparation-de-materiaux-hybrides-a-base.pdf