Modifications et synthèses de nanomatériaux assistées par plasma

Plasma-assisted modifications and synthesis of nanomaterials

• Auteur / Autrice : Tatiana Habib
• Direction : Bruno Caillier, José Mauricio Almeida Caiut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Diagnostic des Plasmas Hors Equilibres
• Jury : Président / Présidente : Marc Verelst
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sidney José Lima Ribeiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandra Cruz, Jérôme Fresnais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharge à barrière diélectrique

Nanoparticules

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma

Nanomatériaux

Nanoparticules

Or

Argent

Plasma

Nanomaterials

Nanoparticles

Gold

Silver

Résumé

Au cours des dernières décennies, la recherche sur les particules de taille nanométrique, et en particulier les nanoparticules métalliques, a fait l'objet d'une attention particulière en raison de leurs propriétés uniques, extrêmement différentes de celles de leurs forme macroscopique, à cause de leur rapport surface/volume élevé. Les nanoparticules d'argent et d'or sont parmi les nanomatériaux les plus exploités en raison de leurs applications prometteuses dans un large éventail de domaines. Les décharges de plasma de différentes configurations se sont avérées les plus efficaces, car elles ne nécessitent pas d'agents réducteurs toxiques. En particulier, le jet de plasma en contact avec un liquide est une technique simple et rapide pour la synthèse de nanoparticules métalliques. Son principal avantage est la variété des espèces présentes dans le panache de plasma qui peut induire des réactions chimiques rapides dans la solution. Le jet de décharge à barrière diélectrique (DBD) est la configuration de jet de plasma froid la plus couramment utilisée et consiste généralement en un gaz noble passant à travers un capillaire diélectrique, impactant l'air ambiant. Ils se caractérisent par la présence d'une couche diélectrique qui touche la décharge entre les deux électrodes qui sont connectées à une alimentation électrique à haute tension. Lorsque la tension requise est appliquée à travers les électrodes autour du capillaire, une plume de plasma continu peut être produit. Cette décharge de plasma génère une variété de radicaux et de molécules réactives telles que les espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS). Le dispositif expérimental utilisé pour générer le plasma se compose d'une alimentation électrique de la société OLISCIE qui utilise une technologie brevetée pour appliquer des impulsions de tension rapides sur une charge capacitive, d'une bouteille de gaz d'hélium connectée à un débitmètre de gaz pour réguler l'apport de gaz et d'une source de verre asymétrique. Divers diagnostics ont été effectués pour caractériser la décharge de plasma. Grâce à la spectroscopie d'émission optique, nous avons pu mettre en évidence et identifier les espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS) dans le plasma. La création de RONS tels que le peroxyde d'hydrogène dans le liquide modifie la chimie du liquide. Dans ce contexte, nous avons quantifié la production de ces espèces dans le liquide. Cette étude présente une approche scientifique de la synthèse de nanoparticules d'argent et d'or à l'aide d'un jet de plasma d'hélium à pression atmosphérique. La méthode s'est avérée efficace et durable sur le plan environnemental. Des nanoparticules sphériques et uniformes ont été obtenues en 5 minutes, en utilisant seulement un précurseur et un agent stabiliseur pour les nanoparticules d'argent et d'or. La formation de ces nanoparticules métalliques a été confirmée par des spectres d'absorption UV-vis. Les nanoparticules ont été caractérisées de manière plus approfondie afin d'étudier l'effet des différents paramètres chimiques et du plasma sur la taille et la morphologie des nanoparticules d'argent et d'or.

Over the past few decades, the nano-size particles research and especially metallic nanoparticles have received significant attention due to their unique properties that are extremely distinct from their bulk counterparts as a result of their high surface-to-volume ratio. Silver and gold nanoparticles are amongst the most exploited nanomaterials because of their promising applications in a broad range of fields. Plasma discharges of different configurations proved to be the most efficient as no toxic reducing agents are needed. In particular, plasma jet in contact with a liquid which is a simple and fast technique for the synthesis of metal nanoparticles. Its main advantage is the variety of species present in the plasma plume which can induce rapid chemical reactions in the solution. The dielectric barrier discharge (DBD) jet is the most commonly used cold plasma jet configuration and generally consists of a noble gas passing through a dielectric capillary, impinging into the ambient air. They are characterized by the presence of a dielectric layer touching the discharge between the two electrodes that are connected to a high-voltage power supply. When the required voltage is applied through the electrodes around the capillary, a stable and continuous plume of plasma could be produced. This plasma discharge generates a variety of radicals and reactive molecules such as reactive oxygen and nitrogen species (RONS). The experimental device used to generate the plasma consists of a power supply purchased from OLISCIE company which uses a patented technology to apply fast voltage pulses on a capacitive load, a Helium gas bottle connected to a gas flowmeter to regulate the gas intake and an asymmetric glass source. Various diagnostics were carried out to characterize the plasma discharge. Using optical emission spectroscopy, we were able to highlight and identify reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in the plasma. The creation of RONS such as hydrogen peroxide in the liquid modifies the liquid chemistry. In this context, we have quantified the production of these species in the liquid. This study presents a scientific approach to synthesizing silver and gold nanoparticles using a Helium atmospheric pressure plasma jet. The method was found to be efficient and environmentally sustainable. Spherical and uniform nanoparticles were obtained in a short time of 5 minutes, using only a precursor and a capping agent for both silver and gold nanoparticles. The formation of these metal nanoparticles was confirmed by UV-vis spectra. The nanoparticles were further characterized in order to study the effect of different plasma and chemical parameters on the size and morphology of the silver and gold nanoparticles.