Synthèse et fonctionnalisation chimique de l'oxyde de graphène : préparation de matériaux hybrides à base d'oxyde de graphène et de nanoparticules métalliques

摘要

Le présent projet est consacré au développement de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation du graphène. L'oxyde de graphène (OG) est considéré comme un précurseur d'importance pour la fabrication des matériaux à base de graphène. Objectif 1 : Dans le cadre de nos travaux, nous avons exploré différentes méthodes d'exfoliation chimique oxydante du graphite pour finalement développer une synthèse multigrammes (5 g) de l'OG en utilisant une méthode de Hummers modifiée (Chapitre III). En bref, nous avons synthétisé de l'OG (~60 g) qui a servi comme building block clé pour la fonctionnalisation chimique à l'aide de la cycloaddition de type Diels-Alder (Objectif 2-Chapitre IV) et pour la préparation de matériaux composites à base d'OG et de nanoparticules métalliques (Objectif 3-Chapitre V). L'OG a été caractérisé par les techniques d'analyse comme : la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique à transmission (MET), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire de l'état solide du carbone-13 (13C-RMN-ÉS), la spectroscopie de Raman, la spectroscopie infrarouge à transformé de Fourier (FT-IR), la spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) et les analyses thermogravimétriques (TG-TGD). Objectif 2 : La fonctionnalisation chimique de la surface et des bordures de l'oxyde de graphène à l'aide de la réaction de cycloaddition [4+2] de type Diels-Alder. Ces réactions chimiques sont propres, multifonctionnelles, réversibles, simples et économiques à mettre en œuvre. Elles peuvent apporter une solution élégante pour l'ancrage chimique des nanoparticules directement sur le graphène. À l'aide de la spectroscopie de haute résolution du carbone-13 de l'état solide et de la technique de rotation à l'angle magique, nous avons démontré la formation d'un lien covalent entre l'OG et l'anhydride maléique après l'hydrolyse du produit obtenu par la réaction. L'ensemble de nos résultats démontre pour la première fois la faisabilité de la réaction de Diels-Alder en utilisant l'OG comme source de diène. De plus, nous avons utilisé les calculs théoriques de type DFT (théorie de densité fonctionnelle) pour démontrer que la présence de groupements polaires comme les unités dihydroxyle et les défauts dans la matrice, comme les atomes de carbone vacants, favorisent l'approche endo de la réaction en abaissant son énergie à un niveau significatif d'enthalpie de réaction négative. Ces calculs ont été exécutés en collaboration avec les Dr. C. Kuss et S. B. Schougaard de l'UQAM (Chapitre IV) et ne font pas partie de cette thèse. Les travaux expérimentaux et théoriques consacrés à cet objectif ont fait l'objet d'une publication dans un journal international d'envergure avec comité de révision : Brisebois, P. P., Kuss, C., Schougaard, S. B., Izquierdo, R., Siaj, M. (2016). New insights into the Diels-Alder reaction of graphene oxide. Chemistry-A European Journal, 22, 5849-5852. Objectif 3 : Préparation de matériaux composites hybrides à base d'oxyde de graphène et de nanoparticules métalliques. Des matériaux hybrides à base d'OG et de nanoparticules métalliques, plus précisément, d'oxyde de métal (OM), ont été synthétisés via une réaction simple de type one pot dans un milieu aqueux contenant une forte concentration de sels métalliques tels : le chlorure d'étain (II), le chlorure de fer (II), le chlorure de zinc (II), le chlorure d'aluminium (III) et le chlorure de magnésium (II). En présence des sels métalliques en solution, l'OG subit une désoxygénation apparente et sa fraction de carbone graphitique de type sp2 varie en fonction de la nature de l'ion. Aussi, la formation spontanée de nanoparticules d'OM d'un diamètre d'environ 10-40 nm a été observée sur la surface de l'OG. La méthode utilisée pour préparer les composites hybrides de type OG-OM se fait dans l'eau déionisée dans des conditions de température et de pression ambiantes qui peuvent facilement s'adapter à l'échelle industrielle. Les solutions concentrées de sels métalliques peuvent être recyclées pour une réaction subséquente. Notre méthode de préparation s'inscrit dans un contexte de chimie verte soucieuse de l'environnement. Les travaux expérimentaux consacrés à l'objectif 3 ont fait l'objet d'un manuscrit soumis à un journal international d'envergure : Brisebois, P. P., Izquierdo R., Siaj, M. (2016) Spontaneous formation of graphene@metal oxide hybrid nanocomposites in aqueous media with tunable fraction of graphitic carbon. Chemistry of Materials. Manuscript ID: cm-2016-044312.ud______________________________________________________________________________ udMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Oxyde de graphène, cycloaddition de type Diels-Alder, matériaux composites hybrides, nanoparticules d'oxyde de métal, résonance magnétique nucléaire du carbone-13.