Mise au point d’un procédé de synthèse de nanoparticules métalliques magnétiques utilisant des liquides ioniques

par Bishoy Morcos

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Timothy McKenna et de Paul Henri Haumesser.

Soutenue le 26-09-2017

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Chimie OrganoMétallique de Surface (LCOMS) (laboratoire) .

Le président du jury était Dominique Luneau.

Le jury était composé de Paul Henri Haumesser, Catherine Santini, Suzanne Giorgio.

Les rapporteurs étaient Anja-Verena Mudring, Christophe Petit.

mots clés

• Nanoparticules
• Magnétiques
• Liquides ioniques
• Nanoparticules magnétiques
• Liquides ioniques
• Nanoparticules métalliques

Résumé

Les nanoparticules (NPs) métalliques possèdent des propriétés physiques inhabituelles et suscitent un grand intérêt pour divers domaines d’application. En particulier, les NPs de métaux magnétiques offrent de nombreux avantages dans une grande variété d’applications technologiques, médicales et en catalyse. Généralement, ces applications nécessitent de fabriquer des NPs de taille et de composition contrôlées. Cette thèse vise à démontrer que de telles NPs peuvent être obtenues par décomposition de précurseurs organométalliques (OM) dans des solvants d’un genre particulier, les liquides ioniques (LIs). Ce sont des sels possédant un très bas point de fusion (inférieur à 100°C) et qui possèdent des propriétés uniques, dont celle de stabiliser des nano-objets. Pour y parvenir, des précurseurs OM des métaux d’intérêt (Co et Fe) ont été identifiés. Des Co-NPs ont pu être synthétisées de manière contrôlée : elles possèdent une structure cristalline du e-Co et les propriétés superparamagnétiques attendues pour le Co(0). Dans le cas du Fe, une oxydation partielle des NPs n’a pu être évitée. La seconde partie du travail s’est donc concentrée sur l’obtention de NPs bimétalliques CoM, avec M=Ru ou Pt. Dans le cas de Ru, toutes les synthèses ont conduit à des NPs bimétalliques, tandis que seule une décomposition simultanée des deux précurseurs de Co et Pt a permis de former des CoPt-NPs. Ces NPs pourraient permettre de fabriquer des dispositifs de stockage de données plus performants ou des catalyseurs moins onéreux

mots clés

• Magnetic
• Nanoparticles
• Ionic liquids

Titre traduit

Development of a process for the synthesis of magnetic metal nanoparticles using ionic liquids

Résumé

Metallic nanoparticles (NPs) exhibit unique physical and chemical properties. However, their use is conditioned by the ability to control their size and structure. The decomposition of organometallic (OM) precursors under H2 is efficient to generate metallic NPs in organic solvents, but also in ionic liquids (ILs). We have shown that in the latter media, the size can be finely tuned without adding stabilizing agents. Moreover, the resulting “naked” metallic NPs are suitable for catalysis or further reaction with a second OM precursor to form bimetallic NPs.In this work, we applied this knowledge to the synthesis of mono- and bimetallic NPs in imidazolium-based ILs C1CaImNTf2. CoNPs with a diameter of ca. 4 nm were successfully synthesized by decomposition of [Co(?3-C8H13)(?4-C8H12)] under H2. Structural analysis and magnetic characterizations demonstrated that these NPs are metallic and, as expected for this size, superparamagnetic. This approach was extended to the synthesis of bimetallic CoPt and CoRu NPs. It turned out that the best strategy is probably to simultaneously decompose the Co and Pt (or Ru) precursors. This reaction provides monodisperse suspensions of NPs, a good indication that they are bimetallic. Further structural characterizations, in particular using anomalous SAXS, are also considered to elucidate their structure