Non-hydrolytic synthesis and structure of ZrO2 nanoparticles

par Jess Gambe

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de Olivier Masson, Jenny Jouin et de Fabien Remondière.

Le président du jury était Guido Baldinozzi.

Le jury était composé de Reynaldo Vequizo.

Les rapporteurs étaient Guido Baldinozzi, Hubert Mutin.

  • Titre traduit

    Synthèse non-hydrolytique et structure de nanoparticules de ZrO2


  • Résumé

    Ce travail traite de la synthèse et de la caractérisation structurale de nanoparticules d'oxyde de zirconium (ZrO2) ainsi que de leurs relations taille/structure. Nous avons élaboré des nanoparticules de taille inférieure à 5 nm avec une distribution de taille étroite en utilisant une voie sol-gel non hydrolytique solvothermale. La diffraction des rayons X classique a été utilisée pour évaluer la taille des cristallites via des affinements de Rietveld et la diffusion totale des rayons X pour extraire les fonctions de distribution des paires (PDF) des échantillons et effectuer leur analyse structurale.Nous avons réussi à synthétiser des nanoparticules cristallines de ZrO2 d'une taille d'environ 3 nm et quasi mono-disperses. Nous avons montré qu'une addition d'hydroxyde de sodium dans le mélange réactionnel était pertinente pour obtenir des nanoparticules bien cristallisées et monophasées présentant une structure moyenne soit monoclinique soit tétragonale en fonction du solvant utilisé, respectivement dans le benzaldéhyde ou dans l'alcool benzylique. Enfin, la dilution de l'alcool benzylique par l'anisole, un solvant inerte, conduit au contrôle fin de la taille moyenne des nanoparticules de 3,2 nm à 2 nm selon l'étude MET.Ces trois échantillons principaux préparés dans le benzaldéhyde alcalinisé, l'alcool benzylique ou l'anisole ont été soumis à une analyse structurale complète. Selon leur analyse PDF, ces trois échantillons offrent un aperçu de la compréhension des propriétés structurales de ces petites particules.La PDF expérimental de l'échantillon préparé avec du benzaldéhyde coïncide avec la PDF affinée d'un modèle structural monoclinique. Cependant, la PDF expérimentale de l'échantillon préparé avec de l'alcool benzylique n'est conforme à aucun des polymorphes connus de ZrO2 ayant une structure dérivée de la fluorine, mais présente plutôt une structure tétragonale moyenne avec des distorsions monocliniques à l'ordre local. Enfin, la PDF expérimentale de l'échantillon préparé avec de l'anisole présente de fortes distorsions structurales dans le domaine de l'ordre à moyenne distance, mais aussi une structure de type monoclinique à l'ordre local.Ensuite, l'échantillon préparé avec l'anisole a été soumis à un vieillissement assisté thermiquement (3 à 24 jours) et on a ajouté des quantités variables d'eau ex-situ (teneur en volume de 0,3 à 5%). Nous avons observé que les nanoparticules évoluaient d'une phase contenant un désordre élevé (3 jours) à une structure mieux cristallisée (24 jours) correspondant à une structure tétragonale moyenne tout en maintenant une distorsion monoclinique à l'ordre local. De manière similaire, l'addition d'eau ex-situ sur le mélange réactionnel favorise une cristallisation plus rapide et favorise l'apparition de pics typiques de la structure monoclinique. Cependant, la formation de phase monoclinique a été inhibée par la présence d'hydroxyde de sodium, mais limitée à environ 2% en volume d'eau, et une valeur plus élevée que cette quantité conduit à la formation de grandes particules de structure monoclinique.


  • Résumé

    This work deals with the synthesis and the structural characterization of zirconium oxide nanoparticles (ZrO2) as well as their size/structure relationships. We elaborated nanoparticles with a size inferior to 5 nm and a narrow size distribution using a non-hydrolytic solvothermal sol-gel route. Classical X-ray diffraction was used to evaluate the crystallite size via Rietveld refinement and X-ray total scattering to extract the pair distribution functions (PDF) of the samples for structural analysis.We succeeded in synthesizing crystalline nanoparticles of ZrO2 with a size of about 3 nm and quasi mono-dispersed. We showed that an adjusted addition of sodium hydroxide into the reaction mixture was pertinent to obtain a well crystallized and single-phase nanoparticles exhibiting an average monoclinic or tetragonal structure in benzaldehyde or in benzyl alcohol, respectively. Finally, the dilution of benzyl alcohol by anisole, an inert solvent, lead to the fine tuning of average crystallite size of the nanoparticles from 3.2 nm to 2 nm according to the TEM investigation.Those three major samples prepared in alkalinized benzaldehyde, benzyl alcohol, or anisole were subjected to complete structural analysis. According to their PDF analysis, these three samples offer an insight to the understanding of structural properties of such small particles.The experimental PDF of the benzaldehyde-prepared sample coincide with the refined PDF of a monoclinic structural model. However, the experimental PDF of the benzyl alcohol-prepared sample does not conform to any of the known polymorphs of ZrO2 having a fluorite-derived structure but rather it has an average tetragonal structure and a monoclinic distortion at the short-range order. Lastly, the experimental PDF of the anisole-prepared sample has large structural distortion at the medium-range order but has monoclinic structural features at the short-range order. We then subjected the anisole-prepared sample by thermally assisted ageing (3 to 24 days) and addition of varied amounts ex-situ water (0.3 to 5% volume content). We observed that the nanoparticles evolve from a phase containing high disorder (3 days) to a state of higher structural order (24 days) that fits with the average tetragonal structure while maintaining a monoclinic distortion at the short-range order. Similarly, the addition of ex-situ water onto the reaction mixture promoted a faster crystallization and promotes the onset of peaks that aligns with the monoclinic structure. However, the formation of monoclinic phases was inhibited by the presence of sodium hydroxide but limited to about 2% volume water content and higher than this amount lead to the formation of large particles with monoclinic structure.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-01-2019

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