Synthèse et étude structurale de la gehlénite au bore Ca2Al2-xBxSiO7 : mécanisme de substitution B/AI et ordre local

Synthesis and structural characterisation of boron gehlénite Ca2Al2-xBxSiO7 : B/Al substitution mechanism and local ordering

• Auteur / Autrice : Emmanuel Véron
• Direction : Guy Matzen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2011
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Chartier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Matzen, Thierry Chartier, Christian Bonhomme, Pascal Roussel, Daniel Caurant, Dominique Massiot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Bonhomme, Pascal Roussel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Substitution (chimie)

Silicates d'aluminium

Sorosilicates

Mots clés libres

Gehlénite au bore Ca2Al2-xBxSiO7

Borosilicate de calcium

Evolution structurale

Affinement structural

Boron gehlénite Ca2Al2-xBxSiO7

Calcium borosilicate phase

Structural evolution

Structural refinement

Résumé

Dans cette thèse, nous décrirons les effets structuraux (structure moyenne et à l’ordre local) engendrés par la substitution de l’aluminium par du bore dans la gehlénite (Ca2Al2-xBxSiO7). Les modifications des environnements atomiques à courtes et moyennes distances ont pu être déterminées grâce à une analyse poussée par diffraction sur poudre et à l’utilisation des dernières techniques de RMN haute résolution en phase solide. La première partie du manuscrit donne une description complète de la structure du minéral non substitué Ca2Al2SiO7. L’ensemble des 7 environnements de l’aluminium a été décrit par une simulation combinée de spectres RMN MAS et MQMAS 27Al acquis à différents champs et attribué à l’aide d’expériences d’édition spectrale. L’existence de liaisons Al-O-Al a été démontrée. Par ailleurs, la détermination de la proportion des unités Q3(2Al) nous a permis d’accéder à l’enthalpie de mise en ordre Al/Si dans ce système. Le mécanisme de substitution Al/B et l’évolution structurale de la solution solide Ca2Al2-xBxSiO7 (0 x 2), synthétisée par cristallisation de verres de même composition, ont été caractérisés par affinements Rietveld de données collectées par diffraction des rayons X et des neutrons. Des observations effectuées par RMN MAS sur les trois noyaux du système (27Al, 29Si et 11B) nous ont permis de compléter ces résultats. Un nouveau borosilicate de calcium de formule CaSi1/3B2/3O8/3, appartenant au diagramme de phase Ca2Al2SiO7-Ca2B2SiO7, a pu être identifié et synthétisé. Sa structure a été déterminée in situ et ab initio en combinant des techniques de diffraction, de microscopie électronique en transmission et de résonance magnétique nucléaire.

This work describes the structural modifications (average structure and local order) due to the substitution of boron for aluminum in gehlenite (Ca2Al2-xBxSiO7). The modifications of the short and medium range in the structure order have been determined using neutron and X-ray powder diffraction and recent advanced high resolution solid-state NMR techniques. The first part of this manuscript provides a full description of the structure of the non substituted mineral (Ca2Al2SiO7). All the 7 aluminum sites are identified and quantified by 27Al MAS, MQMAS and spectral editing NMR experiments performed at 9.4 and 17.6T. The existence of Al-O-Al linkage is demonstrated. The quantification of the Q3(2Al) species by 29Si MAS NMR allows the determination of the enthalpy related to the Al/Si ordering in the system. The Al/B substitution mechanism and the structural evolutions of the Ca2Al2-xBxSiO7 (0 x 2) solid solution, synthesised by crystallisation from glass, have been characterised by Rietveld refinements from Xray and neutron powder diffraction data. These results have been completed by solid-state NMR experiments (11B, 27Al and 29Si). A new calcium borosilicate phase (CaSi1/3B2/3O8/3), observed in the Ca2Al2SiO7-Ca2B2SiO7 phase diagram, has been identified and synthesised. The in situ and ab initio structure determination of this phase has been performed using the charge flipping method by combining powder diffraction, transmission electron microscopy and solid-state NMR analyses.