Etude de la formation en solution de clusters de plutonium (IV) en présence du ligand acétate

Study of the formation of plutonium (IV) clusters un solution with acetate ligand

• Auteur / Autrice : Geoffroy Chupin
• Direction : Philippe Moisy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Séparative, Matériaux et Procédés
• Date : Soutenance le 17/03/2022
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule - Institut de Chimie Séparative de Marcoule / ICSM - UMR 5257
• Jury : Président / Présidente : Jerzy Zając
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Moisy, Jerzy Zając, Christophe Den Auwer, Grégory Nocton, Thierry Loiseau, Valérie Vallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Den Auwer, Grégory Nocton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plutonium

Composés de coordination

Actinides

Mots clés libres

Chimie des actinides

Chimie de coordination

Cycle du combustible nucléaire

Plutonium

Cluster

Modélisation moléculaire

Actinide chemistry

Coordination chemistry

Nuclear fuel cycle

Plutonium

Cluster

Molecular modelisation

Résumé

Les clusters d’An(IV) sont des molécules à plusieurs centres métalliques reliés entre eux par des groupes oxo et/ou hydroxo en solution aqueuse (le cœur). Ces espèces se forment en présence d’eau par des réactions de condensation, et sont stabilisées par des ligands organiques ou inorganiques (en surface). Si les structures des clusters sont souvent décrites à l’état solide, elles le sont beaucoup moins en solution. La plupart des clusters observés en solution sont des clusters hexamériques à géométrie octaédrique, complexés à des ligands à fonction carboxylate. Si quelques données existent pour les clusters hexamériques de Th(IV), U(IV) et de Np(IV) en solution, très peu d’informations sont rapportées sur le Pu(IV). Les données thermodynamiques et cinétiques sur la formation des clusters en solution sont rares. Il en résulte que les clusters ne sont pas pris en compte dans les modèles de spéciation. L’objectif de la thèse est l’étude en solution des clusters de Pu(IV) en présence d’un ligand carboxylate simple, le ligand acétate. Afin d’identifier l’ensemble des espèces susceptibles de se former en solution, le Pu(IV) en présence d’acétate a d’abord été caractérisé par spectroscopie d’absorption Vis-NIR. Huit espèces différentes ont pu être identifiées par spectroscopie Vis-NIR : trois cations aquo (Pu3+, Pu4+ et PuO2(2+) et cinq espèces d’acétate de Pu(IV). Ces cinq espèces ont ensuite été caractérisées en couplant des approches expérimentales (Vis-NIR, EXAFS et ESI-MS) et théorique par calcul de chimie quantique (DFT). Le cluster hexamérique octaédrique Pu6O4(OH)4(AcO)12(H2O)6 a été identifié en solution. Cette espèce était la structure manquante des clusters hexamériques An6O6(OH)4(AcO)12 des An(IV). Les quatre autres espèces qui l’accompagnent sont proposées comme étant des complexes « classiques » monomériques. Connaissant les espèces d’acétates de Pu(IV) formées en solution, leurs fractions ont pu être évaluées par déconvolution et reportées sur un diagramme de distribution des espèces en pL.

An(IV) clusters are multiple metallic centers molecules, were actinide atoms are linked by oxo or hydroxo groups. Those species are formed by condensation reactions with water. They are stabilized thanks to organic or inorganic ligands. If the structures of the clusters are well known at solid state, this is not the case in solution. Hexameric cluster with an octahedral shape core is the main structure detected in solution. This structure is stabilized by ligand with carboxylate functions. Information exists for Th(IV), U(IV) and Np(IV) hexanuclear in solution, but few studies are reported for Pu(IV). Thermodynamic and kinetic data on the formation and the stability of the cluster are scarce. Consequently, clusters are not taken into account for speciation diagram. The goal of this work is to study the plutonium clusters behavior in solution with a simple carboxylate ligand, acetate.In order to detect all potentially formed, plutonium with acetate species solutions were first characterized by Vis-NIR absorption spectroscopy. Large variations of pH and acetate concentrations were used and eight different species are identified : three aquo cations (Pu3+, Pu4+, PuO2(2+) and five plutonium complexes with acetate. Those five acetate complexes were characterized by coupling experimental (Vis-NIR and EXAFS spectroscopy and ESI-MS spectrometry) and theoretical approach through quantum chemistry. As a result, Pu6O4(OH)4(AcO)12(H2O)6 hexameric cluster has been identified, the missing bloc in the An(IV) series with formate, acetate ligands. The four other complexes are are attributed to plutonium acetate monomeric complexes. Species of Pu(IV) with acetate being described, their fractions in solution are evaluated and reported on a speciation diagram on the pL axis.