Synthèse et caractérisation de nanoparticules à base d'oxydes de cérium et de fer pour la filtration des UV dans les produits solaires

Synthesis and characterisation of cerium dioxide- and iron oxidebased nanoparticles for UV filtration in sunscreens

• Auteur / Autrice : Laurianne Truffault
• Direction : Lévi Allam, Thierry Devers, Konstantin Konstantinov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2010
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec University of Wollongong (Wollongong, Australie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) - Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes- Mécanique et Energétique
• Jury : Président / Présidente : Chantal Leborgne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lévi Allam, Thierry Devers, Konstantin Konstantinov, Chantal Leborgne, Laurence Coiffard, Oscar Komla Awitor, Gérard Redziniak, Francesca Fernandez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Coiffard, Oscar Komla Awitor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hématite

Nanoparticules

Oxydes de cérium

Oxydes de fer

Produits de protection solaire

Mots clés libres

Spray-pyrolyse

Filtre UV inorganique

Spray-pyrolysis

Inorganic UV filter

Résumé

L’objet de cette thèse est la synthèse et la caractérisation de nouveaux filtres UV inorganiques nanostructurés, efficaces dans le domaine des UVA. Dans ce contexte, nous avons choisi d’étudier le dioxyde de cérium (CeO2) et l’hématite (α-Fe2O3) en raison notamment de leurs propriétés optiques d’absorption des UV. Deux méthodes de synthèse ont été sélectionnées pour l’élaboration de ces oxydes, purs ou dopés, sous la forme de poudre nanométrique: la co-précipitation et le spray-pyrolyse. Les conditions optimales de synthèse ont été déterminées grâce à de la diffraction des rayons X et de l’analyse thermique. La structure cristalline ainsi que la granulométrie des échantillons obtenus ont été caractérisées par diffraction des rayons X et microscopies électroniques. La granulométrie et la morphologie des échantillons sont reliées aux méthodes de synthèse, aux conditions opératoires (atmosphère et température de calcination), à la nature et à la concentration des éléments dopants. Les propriétés optiques des échantillons suspendus dans de l’éthanol ont été étudiées par spectroscopie d’absorption UV-visible. Elles sont reliées à la granulométrie des échantillons ainsi qu’à des phénomènes localisés au sein de la maille cristallographique (changements de valence, présence de défauts). Les échantillons à base de CeO2 et α-Fe2O3 ont finalement été incorporés en émulsion solaire, à la place de ZnO, afin de tester leurs performances anti-solaires (SPF et FP-UVA) par mesure in vitro. Les résultats montrent que le ZnO peut être positivement remplacé dans les produits de protection solaire par l’oxyde de cérium ou de fer qu’ils soient purs ou dopés.

The subject of this thesis is the synthesis and the characterization of new UVA-efficient nanostructured inorganic UV filters. In this context, we chose to study cerium dioxide (CeO2) and hematite (α-Fe2O3), most importantly because of their optical absorption properties. Two methods were selected to synthesise cerium dioxide and hematite in nanostructured powder form: the co-precipitation method and the spray-pyrolysis method. Cerium dioxide was studied in both non-doped and doped forms. Optimal synthesis conditions were determined by X-ray diffraction and thermal analysis. The crystalline structure and granulometry of the obtained samples were characterised by X-ray diffraction and electronic microscopy techniques. Granulometry and morphology of the samples are linked to: the synthesis method, the experimental conditions (atmosphere and temperature of calcinations), and the nature and concentrations of the dopes. The optical properties of ethanol suspended samples were studied by UV-visible absorption spectroscopy. They are linked to the samples’granulometry as well as localised phenomena in the crystallographic lattice (valence changes, defects presence). Cerium dioxide- and hematite-based samples were finally incorporated in emulsion, instead of ZnO, in order to test their photoprotection performance (SPF and PF-UVA) by measuring in vitro. Results show that ZnO can be positively replaced by pure or doped cerium or iron oxide in sunscreen, when these are associated with the inorganic filter TiO2.