Fonctionnalisation de nanotubes de carbone par une approche non covalente pour l'électrocatalyse et l'optoélectronique

Functionalization of carbon nanotubes by non covalent approach for electrocatalysis and optoelectronic

• Auteur / Autrice : Manel Hanana
• Direction : Stéphane Campidelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Vincent Huc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Lojou, Michael Holzinger, Gabriel Canard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Lojou, Michael Holzinger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réduction électrochimique

Électrocatalyse

Composés macrocycliques

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotube de carbone

Macrocycle MN₄

Réaction de réduction de l'oxygène (RRO)

Polymérisation

Carbon nanotube

Macrocycle MN₄

Oxygen reduction reaction (ORR)

Polymerization

Résumé

La fabrication de matériaux hybrides, combinant sans les altérer les propriétés de leurs différents constituants, est au cœur de la recherche en nanosciences. Parmi les différents types de nanomatériaux envisagés à cette fin, les nanotubes de carbone sont des objets prometteurs en raison de leurs propriétés optiques, de conductivité et de leur fonctionnalisation, pour la catalyse, l’électronique et l’optoélectronique. Dans la première partie de cette thèse, des structures hybrides supramoléculaires à base de nanotubes de carbone multi-parois et de macrocycles (porphyrines, phtalocyanine ou corrole) de cobalt et/ou de fer ont été formées et testées comme catalyseurs pour la réduction du dioxygène. La méthode de fonctionnalisation non covalente employée (couplage de Hay et click-chemistry) préserve au mieux les propriétés électroniques des nanotubes et assure la stabilité de l’assemblage obtenu. Grâce à leurs propriétés d’émission dans la région proche infrarouge, les nanotubes de carbone mono-paroi présentent un intérêt en optique et en optoélectronique. Cependant, leur extrême sensibilité au milieu les environnant entrave leur utilisation. La fabrication de matériaux hybrides, préservant leur propriété optique et facilitant leur manipulation est alors primordiale. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la fonctionnalisation de nanotubes de carbone mono-paroi en vue de leur utilisation en optoélectronique. A cet effet, une synthèse de coquille, composée de polymères amphiphiles, protégeant les nanotubes de carbone de leur environnement et facilitant leur solubilité en milieu aqueux, sera réalisée.

The production of hybrid materials, combining the properties of their different building blocks without altering them, is a central issue of nanoscience. Among the different classes of nanomaterials being considered for this purpose, carbon nanotubes are an outstanding class of materials due to their optical, conductivity and their functionalization properties, that can be used for various applications in catalysis, electronics and optoelectronics. In the first part of this thesis, supramolecular hybrid structures based on multi-walled carbon nanotubes and macrocycles (porphyrins, phthalocyanine or corrole) containing cobalt and/or iron ions have been performed and tested as catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). The non-covalent functionalization methods (based on either Hay-coupling or click chemistry) preserve the electronic properties of the nanotubes and enhances the stability of the resulting hybrids. Thanks to their emission properties in the near infrared region, single-walled carbon nanotubes are of peculiar interest in optoelectronics. However, their extreme sensitivity to the surrounding environment hinders their application. The production of hybrid materials that preserve their optical properties and facilitate their handling is therefore a key challenge. The second part of this PhD is dedicated to the functionalization of single-walled carbon nanotubes for optoelectronics. To this end, it is necessary to carry the synthesis of a core-shell structures, composed of amphiphilic copolymers protecting the carbon nanotubes from their environment and facilitating their solubility in aqueous medium.