Extension de la procédure radiolytique à la préparation de polymères conducteurs dans des solvants organiques : synthèse, caractérisation et applications

Extension of radiolytic procedure to the preparation of conducting polymers in organic solvents : synthesis, characterization and applications

• Auteur / Autrice : Teseer Bahry
• Direction : Samy Remita
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Miomandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samy Remita, Fabien Miomandre, Jean-Marc Jung, Yvette Ngono-Ravache, Rachel Méallet-Renault, Muriel Ferry, Najla Fourati-Ennouri, Thanh-Tuan Bui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Jung, Yvette Ngono-Ravache

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Polymérisation

Chimie sous rayonnement

Semiconducteurs polymères

Mots clés libres

Synthèse

Procédure radiolytique

Caractérisations

Applications

Applications

Characterizations

Radiolytic procedure

Applications

Résumé

Dans le présent travail, nous avons étendu aux solvants organiques notre méthodologie radiolytique de synthèse de polymères conducteurs (PCs), initialement développée en solutions aqueuses. Dans ce contexte, la polymérisation des PCs a été étudiée par radiolyse gamma dans différents solvants organiques et sous différentes conditions expérimentales. La synthèse radio-induite a, en particulier, été optimisée dans le dichlorométhane grâce à la variation et à l’ajustement de différents paramètres : atmosphère, dose, débit de dose, concentration des monomères, etc. Cette synthèse a ainsi pu mener à la préparation de différents types de polymères conducteurs : poly (3,4-éthylènedioxythiophène), poly (3-thiophène acétique acide) and Poly (3-hexylthiophène). Ces derniers ont été totalement caractérises en solutions ou après dépôt par des techniques analytiques, spectroscopiques et microscopiques complémentaires. Nous avons en particulier démontré la simplicité et la versatilité de la polymérisation radio-induite de TAA que ce soit dans le dichlorométhane ou dans l’eau, et avons mis en évidence quelques différentes notable entre ces deux voies de synthèse. Nous avons, par ailleurs, évalué l’influence de la nature des espèces radiolytiques oxydantes générées dans le dichlorométhane, via la variation de l’atmosphère de travail (N₂, air ou O₂), sur les propriétés des polymères conducteurs radio-synthétises, en particulier dans le cas de P3HT. Parmi les nombreuses propriétés physiques chimiques que nous avons sondées dans le cas de tous nos polymères conducteurs radio- synthétises les propriétés électroniques et électrochimiques ont fait l’objet d’une attention particulière. Nos matériaux ont alors été incorporés au sien de cellules solaires à pérovskite hybrides organiques-inorganique (PSCs) et y ont été utilisés comme matériaux de transport de trous (HTMs). Notre nouvelle stratégie radiolytique de synthèse décrite et étendu dans le présent manuscrit, ouvre sans aucun doute la voie à la préparation de nouveaux PCs nanostructurés, de morphologie contrôlée et aux propriétés augmentées : par exemple grâce à l’utilisation d’une polymérisation en microémulsions ou par le développement d’une copolymérisation raisonnée.

The extension of our original radiolytic methodology to the use of organic solvents was an important alternative approach to radiation-induced polymerization of conducting polymers (CPs) in aqueous solutions. The polymerization of CPs was studied by using gamma-radiolysis of several organic solvents under different environmental conditions. The optimization of the synthesis conditions of CPs was then conducted into dichloromethane solvent. After optimization of the synthesis conditions (atmosphere, dose, dose rate, concentration of organic monomers, etc.), the use of dichloromethane radiolysis was successfully employed to synthesize various types of conducting polymers: Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), Poly (3-thiophene acetic acid) (PTAA) and Poly (3-hexylthiophene) (P3HT). The radio-synthesized polymers were fully characterized in solution and after deposition by complementary analytical, spectroscopic and microscopic techniques. Also, the simplicity and versatility of radiation induced polymerization of 3-thiophene acetic acid in dichloromethane and in aqueous solutions was demonstrated. The differences between the two radiolysis routes were highlighted. Furthermore, the influence of generating different oxidizing species under different atmospheres (N₂, air or O₂) upon ɣ-irradiation of dichloromethane solutions containing organic monomers was also studied in particular in case of P3HT. The electronic and electrochemical properties were checked for all radio-synthesized CPs. Accordingly, these polymers were then incorporated in hybrid organic and inorganic perovskite solar cells (PSCs) and used as hole transport materials (HTMs). Our new radiolytic strategy described and extended in this manuscript opens the way for the preparation of new nanostructured CPs with controlled morphology and enhanced properties by using microemulsion polymerization and also for the preparation of processable conjugated materials through copolymerization.