Synthأ¨se de nanoparticules riches en carbone par ... ... 2 Synthأ¨se de nanoparticules riches en carbone

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  • 1

    Synthèse de nanoparticules riches en carbone par polymérisation en dispersion

    Mémoire

    Audrey Picard-Lafond

    Maîtrise en chimie

    Maître ès sciences (M. Sc.)

    Québec, Canada

    © Audrey Picard-Lafond, 2017

  • 2

    Synthèse de nanoparticules riches en carbone par polymérisation en dispersion

    Mémoire

    Audrey Picard-Lafond

    Sous la direction de :

    Jean-François Morin, directeur de recherche

  • III

    Résumé

    L’intérêt porté aux nanomatériaux de carbone est en croissance en raison de leur potentiel pour une

    variété d’applications. Le réseau d’atomes de carbone hybridés sp2, commun à tous les matériaux de

    cette famille, engendre d’excellentes propriétés électroniques et optiques modulées par la forme, la

    taille et la dimensionnalité du réseau carboné. Parmi ces nanomatériaux, les nanoparticules de

    carbone (CNP) disposent d’un potentiel singulier en raison de leurs propriétés de

    photoluminescence, leur photostabilité et leur faible toxicité. En conséquence, l’application des CNP

    en biomédecine, en optoélectronique et en photocatalyse est grandement étudiée. Néanmoins, les

    méthodes de synthèse et les techniques de séparation actuelles représentent des limitations à leur

    mise en œuvre. L’usage de température élevée (>100 °C) nuit au contrôle précis de la forme et de la

    taille des CNP, les rendements réactionnels sont faibles et la surface du matériau est chimiquement

    inerte.

    Dans ce projet, l’objectif est d’établir une méthode de synthèse de CNP palliant aux limitations des

    procédés actuels. Autrement dit, nous tentons de développer une méthode permettant un contrôle

    précis de la forme et de la taille des particules en évitant l’utilisation de températures élevées. La

    stratégie est basée sur la polymérisation en dispersion d’unités organiques riches en alcynes,

    utilisées comme source métastable de carbone. D’une part, la polymérisation de monomères riches

    en alcynes permet de synthétiser en une étape simple des polyynes qui, en raison de leur instabilité,

    réagissent spontanément pour produire un matériau composé majoritairement d’atomes de carbone

    hybridés sp2. D’autre part, la polymérisation en dispersion assure un contrôle morphologique des

    particules durant la synthèse. En plus de l’objectif principal, la fonctionnalisation en surface des

    particules est envisagée en exploitant la réactivité d’alcynes résiduels de la structure carbonée.

    Aussi, nous tentons d’échanger le monomère alcynique afin de bonifier les propriétés de

    photoluminescence des particules issues du procédé.

  • IV

    Abstract

    The interest in carbon nanomaterials is expanding due to their potential for various applications. The

    network of sp2-hybridized carbon atoms, common to all materials of this family, generates excellent

    electronic and optical properties which are modulated by the shape, the size and the dimensionality

    of the carbon network. Among these nanomaterials, carbon nanoparticles (CNP) have a singular

    potential due to their photoluminescence properties, their photostability and their low toxicity.

    Accordingly, the application of CNP in biomedicine, optoelectronics and photocatalysis is greatly

    studied. However, the current synthetic methods and separation techniques represent limitations to

    their implementation. The use of high temperatures (>100 °C) hinders the precise control over shape

    and size of the CNP, the synthetic yields are low and the materials’ surface is chemically inert.

    In this project, the objective is to establish a route for CNP synthesis which surpasses the limitations

    of the current preparation methods. In other words, we are trying to develop a method allowing a

    precise control of the particles’ shape and size, while avoiding the use of high temperatures. The

    strategy is based on the dispersion polymerization of alkyne-rich organic units, used as a metastable

    carbon source. On one hand, the polymerization of alkyne-rich monomers allows the one-step

    synthesis of polyynes which, due to their instability, react spontaneously to produce a material

    composed mainly of sp2-hybridized carbon atoms. On the other hand, dispersion polymerization

    ensures a morphological control of the particles during their synthesis. Adding to the main objective,

    surface functionalization of the particles is intended by exploiting the reactivity of residual alkynes in

    the carbon structure. Also, we try to exchange the alkyne-rich monomer in order to improve the

    photoluminescence properties of the particles obtained from the developed process.

  • V

    Table des matières

    Résumé .............................................................................................................................................. III

    Abstract ............................................................................................................................................... IV

    Table des matières .............................................................................................................................. V

    Liste des tableaux .............................................................................................................................. VII

    Liste des figures ................................................................................................................................ VIII

    Liste des schémas ............................................................................................................................. XII

    Liste des abréviations ....................................................................................................................... XIII

    Remerciements .................................................................................................................................XVI

    Avant-propos ...................................................................................................................................XVII

    1. Introduction .................................................................................................................................. 1

    1.1. Les matériaux riches en carbone ......................................................................................... 1

    1.2. Les nanoparticules de carbone ............................................................................................ 3

    1.2.1. Découverte ................................................................................................................... 3

    1.2.2. Nomenclature et structures .......................................................................................... 4

    1.2.3. Méthodes de synthèse ................................................................................................. 5

    1.2.4. Propriétés de photoluminescence .............................................................................. 11

    1.2.5. Intérêts ....................................................................................................................... 16

    1.2.6. Problématiques .......................................................................................................... 17

    1.3. Les polyynes ...................................................................................................................... 18

    1.3.1. Réactivité : instabilité photochimique et thermique .................................................... 19

    1.3.2. Précurseurs à la synthèse de matériaux riches en carbone sp2................................. 19

    1.4. Les nanoparticules de polymère ........................................................................................ 21

    1.4.1. Polymérisation en dispersion par couplage de Sonogashira ...................................... 22

    1.5. Objectifs du projet de maîtrise ........................................................................................... 23

    1.6. Méthodologie ..................................................................................................................... 24

    2. Chapitre 2 .................................................................................................................................. 26

    2.1. Résumé ............................................................................................................................. 27

    2.2. Abstract .............................................................................................................................. 28

    2.3. Introduction ........................................................................................................................ 29

    2.4. Materials and Methods ....................................................................................................... 31

    2.4.1. Chemicals and Materials ............................................................................................ 31

    2.4.2. Instrumentation ..............................................................................................