Electrosynthèse assistée par ultrasons de nanoparticules de fer à valence zéro : étude de la croissance de dépôts et de leur dispersion par ondes acoustiques

par Audrey Iranzo

Thèse de doctorat en Génie des procédés et environnement

Sous la direction de Théo Tzedakis et de Fabien Chauvet.


  • Résumé

    La synthèse de nanoparticules de fer zéro-valent, par le couplage des procédés d'ultrasonication et d'électrodéposition, est étudiée selon deux approches. La première partie de l'étude s'intéresse à l'influence du substrat, utilisé pour l'électrodéposition, sur la croissance des dépôts de fer et sur leur dispersion par ultrasonication. L'énergie interfaciale ainsi que l'énergie d'adhésion du dépôt sur le substrat (Y_(Fe/substrat) et W_(Fe/substrat) respectivement) étant reliées à l'énergie de surface et à la rugosité du substrat, un intérêt particulier a été porté à ces deux propriétés. Ainsi, deux matériaux présentant des énergies de surface différentes, l'or (Au) et le carbone vitreux (VC), ainsi que des rugosités différentes ont été testés. Un développement théorique basé sur les interactions de Van der Waals a permis de démontrer que Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) ce qui suggère une meilleure affinité du dépôt de fer avec l'or qu'avec le VC. Cette différence influence la morphologie (croissance 2D sur or et 3D sur le VC) mais aussi l'adhésion des dépôts. En effet, les expériences réalisées pour étudier l'effet des ultrasons sur le dépôt de fer révèlent une dispersion du dépôt progressive et complète pour le cas du VC alors qu'aucun détachement du dépôt n'est obtenu en utilisant l'or. La seconde partie de l'étude est consacrée à la synthèse de nanoparticules de fer par une nouvelle approche : l'électrodéposition de dépôts de fer ramifiés est étudiée dans une cellule de Hele-Shaw intégrant un élément vibrant (diaphragme piézoélectrique) permettant à la fois la formation de dépôts de fer et leur fragmentation. Les expériences menées révèlent que les bulles d'hydrogène, formées lors de la co-réduction des protons libres durant l'électrodéposition du fer, influencent fortement le processus de fragmentation. En utilisant des hautes fréquences et amplitudes de vibration du PZT, les bulles d'hydrogène oscillent avec des déformations de surface. Celles-ci génèrent des vitesses d'interface suffisamment hautes (˜ 4 m/s) pour permettre aux bulles de fragmenter des dépôts ramifiés en particules de fer, de tailles comprises entre 1 µm et 100 nm, et présentant une grande surface spécifique due à leur morphologie dendritique. Cette deuxième partie de l'étude permet d'ouvrir la voie à une nouvelle technologie de fabrication des nanoparticules.

  • Titre traduit

    Ultrasounds assisted electrosynthesis of zero valence iron nanoparticles : study of the deposit growth and dispersion by acoustic waves


  • Résumé

    This study concerns the coupling of the ultrasounds with the electrodeposition process for the synthesis of zero-valent iron nanoparticles; it is structured in two sections. The first focuses on the electrode substrate used for the iron electrodeposition and aims to determine its influence on both the deposit growth and its dispersion by ultrasonication. The interfacial and the adhesion energies of the deposit on the substrate (Y_(Fe/substrate) and W_(Fe/substrate) respectively) being related to the surface energy and the roughness of the substrate, a particular focus is put on the influence of these two properties. Thus, two materials of different surface energies, gold (Au) and vitreous carbon (VC), as well as various roughnesses, are tested. Considering only the Van der Waals interactions, a theoretical development has enabled to determine that Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) which suggests a better affinity of the iron deposit with the gold than with the VC substrate. This difference impacts the deposit morphology (2D growth on the gold and 3D growth on the VC substrate) but also the deposit adhesion. Indeed, experiments performed to study the effect of ultrasounds on the iron electrodeposit reveal its progressive and complete dispersion for the vitreous carbon case while no dispersion (no removal of the deposit from the electrode) is obtained with the gold substrate. The second section of the present study deals with the synthesis of iron nanoparticles; to this end, the electrodeposition of branched deposits has been investigated in a Hele-Shaw cell integrating a vibrating element (piezoelectric diaphragm), expected to allow both the deposit formation and its fragmentation. Experiments reveal that the hydrogen bubbles, formed by the co-reduction of free protons during the iron electrodeposition, strongly influence the fragmentation process. Using high vibration frequencies and high amplitudes, the bubbles oscillate with surface deformations, inducing interface velocity sufficiently high (˜ 4 m/s) to allow the fragmentation of the deposit into particles of sizes ranging between 1 µm and 100 nm and showing a high specific surface due to their dendritic morphology. Thus this work opens the way for a new particles manufacturing technology.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2016 par Université Paul Sabatier, Toulouse 3 [diffusion/distribution] à Toulouse

Electrosynthèse assistée par ultrasons de nanoparticules de fer à valence zéro : étude de la croissance de dépôts et de leur dispersion par ondes acoustiques


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Informations

  • Sous le titre : Electrosynthèse assistée par ultrasons de nanoparticules de fer à valence zéro : étude de la croissance de dépôts et de leur dispersion par ondes acoustiques
  • Détails : 1 vol. (232 p.)
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