The role of water properties and specific ion effects on the evolution of silica nanoconfinement

par Markus Baum

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Diane Rebiscoul.

Soutenue le 09-11-2018

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut de Chimie Séparative de Marcoule / ICSM - UMR 5257 (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Le rôle des propriétés de l'eau et des effets spécifiques des ions sur l'évolution du nanoconfinement de la silice


  • Résumé

    Dans cette thèse, les propriétés de l'eau en présence d'ions dans des nanoconfinement à base de silice ont été étudiées. L'objectif principal est de relier ces propriétés à l'évolution des matériaux mésoporeux de silice dans les solutions aqueuses. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé une approche originale consistant à remplir avec des solutions électrolytiques comportant des ions ayant des propriétés kosmotropes différentes, XCl2 (X = Ba, Ca, Mg) des systèmes modèles tels que deux surfaces de silice parallèles et planes espacées de 3 et 5 nm (nanocanaux) et des silices à mesoporosité ordonnée comme les silices SBA-15 (6 nm de taille pores et murs des pores microporeux) et MCM-41 (3 nm de taille de pores et murs des pores denses).Les résultats obtenus indiquent que la cinétique de remplissage des nanocanaux dépend de la taille du confinement, de la nature des ions et de la solubilité des sels associés aux électrolytes. Dans certains cas, le remplissage incomplet des nanocanaux peut s'expliquer par une diminution de la dynamique de l'eau associée à l’atteinte de la saturation vis-à-vis des sels XCl2 dans la couche interfaciale. La possible précipitation de phases XCl2 pourrait permettre d’expliquer le bouchage de certains nanocanaux. Par la suite, les propriétés de l'eau dans des nanoconfinement concave de silice tels que les cylindres ont également été étudiées. La structure de l’eau en présence d’ions et sa dynamique à l’échelle de la picoseconde caractérisées respectivement par FTIR-ATR et diffusion quasi élastique des neutrons, ont été analysées. Les résultats suggèrent que les propriétés structurales et dynamiques de l'eau sont fortement influencées par la taille du confinement, le caractère kosmotrope des ions et l'excès d'ions dans la couche interfaciale.Enfin, nous avons déterminé l’évolution des deux silices mésoporeuses dans des solutions électrolytiques par diffusion des rayons X aux petits angles. Pour une taille de pore de 3 nm et des murs de pores denses (MCM-41), une dynamique de l’eau lente à une échelle picoseconde conduit probablement à une sursaturation des ions dans la couche interfaciale et donc à une reprécipitation des sels XCl2 et / ou de la silice plus stable. Dans ce cas, l'évolution du MCM-41 est induite par un processus de dissolution-recondensation / précipitation. Dans les plus grands mésopores du SBA-15, en raison de la microporosité dans la paroi des pores, le processus d'altération est différent. Dès le début, une couche d'altération se forme et la taille des pores augmente jusqu'à saturation de la silice. Par la suite, un processus de recondensation / précipitation similaire à celui observé dans la MCM-41 se produit dans la microporosité. Ces deux types d'évolutions en silice pourraient persister jusqu'à l'obtention d'une phase de silice thermodynamiquement stable.


  • Résumé

    In this study, we investigated the water properties in the presence of ions in silica nanoconfinement. The main objective is to relate these water properties to the evolution of silica mesoporous materials in aqueous solutions. To reach this goal, we used an original approach, consisting in the use of electrolyte solutions having ions with various kosmotropic property XCl2 (X = Ba, Ca, Mg) confined in model systems such as two parallel and plane silica surfaces spaced of 3 and 5 nm (nanochannels) and highly ordered mesoporous silica materials represented by SBA-15 (6 nm pore size and microporous pore wall) and MCM-41 (3 nm pore size and dense pore wall).The obtained results indicate that the filling kinetics in nanochannels is driven by the size of the confinement, the nature of ions and the salt solubility of electrolytes. In some cases, the incomplete filling of the nanochannels may be explained by a decrease of water dynamics associated to the saturation of XCl2 salts into the interfacial layer. The possible precipitation of XCl2 phases may explain an incomplete filling by a nanochannels clogging.Thereafter, the water properties in nanoconfinement made of silica concave surface such as cylinders were studied. The water structure and dynamics at a picosecond scale in presence of ions were respecteively characterized by infrared spectroscopy and quasi-elastic neutron scattering. The results suggest that the structural and dynamical water properties are strongly affected by the size of the confinement, the kosmotropic properties of ions and the surface ion excess in the interfacial layer.Finally, we characterized the evolution of the two mesoporous silica in electrolyte solutions using in-situ small-angle X-ray scattering. For 3 nm pore size and dense pore wall (MCM-41), the slow dynamics at a picosecond scale probably lead to a supersaturation of ions in the interfacial layer and thus, to a reprecipitation of XCl2 salts and/or silica phases. In that case, the evolution of the MCM-41 is driven by a dissolution-recondesation/precipitation process. In the bigger mesopores of SBA-15, due to the microporosity in the pore wall, the alteration process is different. During a first stage, an alteration layer is formed and the pore size increases until the silica saturation. Afterwards, a similar recondensation/precipitation process as observed in MCM-41 occurs into the microporosity. These two types silica evolutions could persist until the formation of a thermodynamic stable silica phase.


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