Utilisation de nanoparticules pour la catalyse activée par des champs magnétiques haute fréquence : étude des aspects physiques.

Using magnetic nanoparticles for magnetically activated catalysis : study of physics aspects

• Auteur / Autrice : Nicolas Mille
• Direction : Julian Carrey, Bruno Chaudret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Myrtil Kahn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Chaudret, Claire Wilhem, Olivier Sandre, Rachid Belkhou, Veronique Dupuis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Wilhem, Olivier Sandre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température

Nanoparticules

Magnétisme

Mots clés libres

Magnétisme

Nanoparticules

Température

Chauffage magnétique

Magnetism

Nanoparticles

Temperature

Magnetic heating

Résumé

Le chauffage magnétique de nanoparticules (NPs) soumises à un champ magnétique alternatif a ététrès étudié au cours des dernières décennies. Une application développée récemment au sein du LPCNO consiste à utiliser ce pouvoir chauffant pour permettre la catalyse à haute température de réactions chimiques. La caractérisation à haute température des nanoparticules n'a pas encore été étudiée. La température à l'échelle nanométrique de leur environnement, là où pourrait se passer la réaction chimique, reste encore méconnue. Au cours de cette thèse, des moyens de mesures ont été mis en place pour caractériser le pouvoir chauffant de NPs à haute température, la dynamique de leur assemblage en chaînes, ainsi que leur température interne. Un pyromètre ainsi qu'un calorimètre en verre ou quartz à double paroi nous ont permis de mesurer la puissance de chauffe de nanoparticules et sa variation en température jusqu'à 150 à 500°C selon les échantillons. Les NPs de Fe203, à faible champ coercitif eUou superparamagnétiques, ont une puissance de chauffe qui diminue avec la température. Les NPs de Co, à forte anisotropie, voient leur puissance de chauffe augmenter avec la température. Des mesures de cycles d'hystérésis haute-fréquence en fonction du temps, effectuées sur un banc développé au cours de cette thèse, ont permis de montrer que la différence drastique observée entre deux échantillons très similaires de NPs de FeC est due à leur capacité ou nonà former des chaînes. Une étude plus poussée sur des NPs de FeNi ont permis d'étudier l'influence du champ appliqué et de la fréquence sur la formation de ces chaînes. Enfin, nous avons montré que la mesure de diffraction de rayon X en poudre est un bon moyen d'étudier la température interne de nanoparticules soumises à un champ magnétique alternatif et de la comparer avec celle du substrat sur lequel elles sont supportées. Des mesures effectuées sur une ligne synchrotron sur des échantillons de Fe304 n'ont pas montré de gradient de température notable entre les particules et le substrat.

The heating of nanoparticles (NP) under an alternative magnetic field has been widely studied duringthe las! decades. A recently developed application in the LPCNO is to use this heating power to catalyze high temperature chemical reactions. The high temperature characterization of those nanoparticles has not been done yet. The temperature in their close vicinity at the nanoscale, where the reaction could lake place, is still unknown. We have developed during this thesis setups to characterize their high temperature heating power, the dynamics of their chains formation and their internai temperature. We have used an infrared pyrometer and a double wall calorimeter made of quartz or glass to measure the heating power and ils temperature variation up to 150 to 500 oc depending on the sample. Superparamagnetic Fe,o, NPs have a decreasing heating power with the temperature, whereas highly anisotropie Co nanorods have an increasing one. Time dependent high frequency hysteresis cycle measurements fulfilled on a setup designed during this thesis have explained thal the drastic difference observed between Iwo similar sam pies of NPs of FeC is due to their ability to form chains or not. We have studied in more detail with FeNi NPs the influence of the field intensity and frequency on the chain formation. Finally, we have shown that powder X-Ray diffraction is a good way to study the internai temperature of the NPs under a high frequency magnetic field and to compare it with the substrate on which they are supported. Measurements done in a synchrotron line on Fe304 NPs supported on a mesoporous alumina-silica matrix have shown no noticeable temperature gradient between the particles and the support.