Dispersions de nanoparticules magnétiques de type coeur-coquille MFe2O4@g-Fe2O3 dans des solvants polaires : réactivité électrochimique et rôle de l'interface oxyde/solution sur les propriétés colloïdales

par Cleber Lopes Filomeno

Thèse de doctorat en Chimie Physique et Chimie Analytique

Sous la direction de Emmanuelle Dubois et de Francisco Augusto Tourinho.

Soutenue le 14-12-2015

à Paris 6 en cotutelle avec l'Universidade de Brasília. Fundação de Empreendimentos Científicos e Tecnológicos , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (laboratoire) .

Le jury était composé de Julian Oberdisse, Elisabeth Andreoli De Oliveira, Sophie Cassaignon, Christophe Chassénieux, Sarah Issabel Alves, Tais Augusto Pitta Garcia Cotta, Alex Fabiano Cortez Campos.


  • Résumé

    Les dispersions de nanoparticules magnétiques (NPs) dans les solvants polaires sont utilisées dans de nombreuses applications dans des domaines variés, du biomédical à l'environnement ou à l'énergie. Aussi appelés ferrofluides (FFs), ces systèmes sont des dispersions de ferrites spinelle magnétiques pouvant être stabilisées par des répulsions électrostatiques. Cela nécessite une bonne compréhension de l'interface NPs/solvant porteur, qui contrôle les interactions entre NPs, la nanostructure et de nombreuses autres propriétés. Nous étudions ici en milieu aqueux la réactivité électrochimique de particules c¿ur/couronne de type MFe2O4@ Fe2O3 (M = Fe,Co,Mn,Cu,Zn), espèces électroactives non conventionnelles. La voltammétrie à signaux carrés et la coulométrie à potentiel contrôlé permettent d'étudier la coquille de maghémite ( Fe2O3), dont le rôle est la protection de l'oxyde mixte du c¿ur en milieu acide. D'autre part, un nouveau procédé d'élaboration de dispersions dans les solvants polaires, testé dans l'eau, est appliqué au diméthylsulfoxide (DMSO). A partir du point de charge nulle des NPs, un ajout connu d'acide ou de base permet de contrôler la charge des NPs, la nature des contreions et la quantité d'électrolyte libre. Des dispersions stabilisées par des répulsions électrostatiques sont obtenues dans le DMSO. La diffusion de rayons X aux petits angles et la diffusion dynamique de la lumière sont utilisées pour comprendre la nanostructure et quantifier les interactions entre particules. De forts effets spécifiques liés aux ions sont mis en évidence ainsi que le rôle de l'interface solide liquide, en particulier sur les propriétés de thermodiffusion.


  • Résumé

    Dispersions of magnetic nanoparticles (NPs) in polar solvents have been inspiring many applications, to cite a few, biomedical, industrial and thermoelectrical ones. Also called ferrofluids (FFs), they are usually colloidal dispersions of magnetic spinel ferrite NPs, which can be stabilized thanks to electrostatic repulsion. A good understanding of the interface between NPs and the carrier solvent is thus a key point, which governs the interparticle interactions, the nanostructure and many other applicative properties. We study here the electrochemical reactivity of core-shell ferrite MFe2O4@ Fe2O3 (M=Fe,Co,Mn,Cu,Zn) NPs in aqueous medium. Square-wave voltammetry and potential controlled coulometry techniques are used on these non-conventional electroactive systems in order to evidence the shell of maghemite ( Fe2O3), the main function of which is to ensure the thermodynamical stability of NPs in acidic medium. We also present a new process for the elaboration of maghemite based FF in polar solvents, tested in water and applied to dimethyl sulfoxide (DMSO). Departing from the point of zero charge, the NPs are charged in a controlled way by adding acid or base, which enables us to better control the charge and the counter-ions nature, as well as the amount of free electrolyte in the dispersion. Stable dispersions are obtained thanks to electrostatic repulsion, also in DMSO. Small Angle X-ray scattering and Dynamic Light Scattering are used to understand the nanostructure and quantify the interparticle interactions. Specific ionic effects are evidenced as well as the strong influence of the solid/liquid interface on the migration of the NPs in a thermal gradient.


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