Propriétés d'adsorption et mobilité des charges ioniques dans des silices mésoporeuses fonctionnalisées de type SBA-15

par Nicolas Bibent

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Gilles Silly.

Le président du jury était Annelise Faivre-Rouhaud.

Le jury était composé de Gilles Silly, Annelise Faivre-Rouhaud, Thibault Charpentier, François Henn.

Les rapporteurs étaient Jean-Yves Buzaré, Fabrice Leroux.


  • Résumé

    Ce travail traite du rôle joué par les fonctions de surface sur le transport et le piégeage de cations alcalins en présence d'eau, dans des SBA-15 fonctionnalisées. Il s'agit aussi d'étudier les effets de confinement sur la thermodynamique de l'eau adsorbée. La première étape a consisté à synthétiser les différentes SBA-15, contenant des groupements fonctionnels acides du type PO(OH)2, SO3H, COOH ainsi que leurs équivalents alcalins contenant du Li, Na, K ou Rb. Les solides obtenus ont été caractérisés à l'état sec par DRX, adsorption-désorption de N2 et par RMN du solide, afin de rendre compte respectivement de l'organisation du réseau poreux, des caractéristiques texturales et de la structure locale des motifs organiques. Puis, nous avons étudié ces solides en présence d'eau adsorbée. Nous avons mis en évidence l'instabilité des solides alcalins contenant des ions Na+, K+ et Rb+. Nous proposons également une étude thermodynamique de la fusion de l'eau confinée par DSC, pour laquelle nous montrons que déplacement de la température de transition solide/liquide de l'eau adsorbée dépend de la taille des pores. Ensuite, nous avons analysé les dynamiques ionique et moléculaire de l'eau confinée par Spectroscopie d'Impédance Complexe (SIC) et par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS). L'étude par SIC nous a permis, pour les solides acides, de révéler une conduction protonique selon un mécanisme de Grötthus, et de montrer une dépendance entre les valeurs de conductivité et le pKa des fonctions acides. Finalement par QENS, nous avons observé deux régimes de mobilité des protons, de part et d'autre de 220K, que nous avons associés à des populations différentes de protons.

  • Titre traduit

    Adsorption properties and ionic charge dynamics in SBA-15 mesoporous silica


  • Résumé

    This work deals with the role played by the functions of surface transport and trapping of alkali cations in the presence of water in SBA-15 functionalized. It is also to study the effects of confinement on the thermodynamics of the adsorbed water. The first step was to synthesize the different SBA-15 containing acidic functional groups of type PO (OH) 2, SO3H, COOH and alkali equivalents containing Li, Na, K or Rb. The solids obtained were characterized in the dry state by XRD, N2 adsorption-desorption and solid state NMR, respectively, to reflect the organization of the pore network, and textural characteristics of the local structure of organic patterns. Then, we studied the solid presence of adsorbed water. We have highlighted the instability of solids containing alkali ions Na +, K + and Rb +. We also study the thermodynamics of melting of water confined by DSC, for which we show that displacement of the transition temperature of solid / liquid water adsorbed depends on the pore size. Then, we analyzed the ionic and molecular dynamics of water confined by Complex Impedance Spectroscopy (CIS) and by quasi-elastic neutron scattering (QENS). The CIS study allowed us, for strong acids, reveal a proton conduction mechanism in a Grotthus, and show a dependence between conductivity values and the pKa of the acid functions. Finally by QENS, we have observed two regimes of mobility of protons, on both sides of 220K, which we associated with different populations of protons.

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