Étude des matériaux à base d'oxyde de tungstène photochromique (WO3-x) : Synthèse, caractérisations et élaboration de systèmes organiques-inorganiques hybrides (0D, 1D, 2D) pour des applications optiques

Unlocking the Potential of Photochromic Tungsten Oxide (WO3-x) Materials : Synthesis, Characterization, and Shaping of Hybrid organic-inorganic WO3-doped Systems (0D, 1D, 2D) for Optical Applications

• Auteur / Autrice : Yazan Badour
• Direction : Manuel Gaudon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Danto, Guido W. Sonnemann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Dessapt, Virginie Nazabal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photochromes

Composés inorganiques

Tungstène -- Composés

Mots clés libres

Polymer

Photochromique

Fibres

Inorganique

Optique

Oxyde de tungstène

Polymer

Photochromic

Fibers

Inorganic

Optical

Tungsten oxide

Résumé

L'incorporation d'oxyde de tungstène X-chromiques WO3-x dans une matrice polymère est le sujet principal de cette thèse. Cela représente une contribution significative à la recherche en cours sur les matériaux "X-chrome" à l'ICMCB. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre de différentes techniques pour développer le photochromisme de l'oxyde de tungstène WO3-x nanostructuré. La première méthode consiste à ajuster la sous-stœchiométrie en oxygène des nanoparticules préparées à partir d'un processus de peptisation des nanoparticules dans des solutions aqueuses de différentes concentrations de Cr2O72-. Le rapport stœchiométrique W/O a été analysé par plusieurs techniques. Les échantillons les plus réoxydés présentent la meilleure sélectivité (une grande transparence visible mais une grande absorptivité proche infrarouge) pour l'utilisation de ces composés en tant que filtres solaires, c'est-à-dire avec le meilleur contraste entre la transmission visible et proche infrarouge. Les films minces préparés par trempage se révèlent efficaces pour la photo-détection UV même à une densité de puissance très faible (9,2 W/m2) d'illumination UV. La deuxième méthode est le dopage structurel par le cuivre (Cu). La cinétique de décoloration est considérablement améliorée en raison de l'augmentation des lacunes d'oxygène dans le WO3-x après le dopage au cuivre, ce qui pourrait à son tour étendre la capacité de captage de lumière de ce composé à la région visible et proche infrarouge.Dans la deuxième partie, nous présentons la fabrication de films composites WO3-x/PVA en tant que revêtements photochromiques intelligents sur un substrat en verre selon deux méthodes : le moulage par solvant (SC) et le trempage (DC). Après avoir analysé attentivement la relation entre les caractéristiques des films SC et DC et les performances optiques, nous avons conclu que la méthode SC offre des films de meilleurs candidats pour une application post-optique en termes de réduction de la diffusion, d'amélioration du contraste visible/infrarouge et d'efficacité photochromique accrue. Les fenêtres photochromiques intelligentes SC proposées ici sont tout aussi efficaces tout en étant plus abordables que les panneaux électrochromiques ou les films minces thermochromiques à base de VO2 pour réduire la température intérieure de la maison (près de 20°C) lors d'une irradiation solaire, démontrant ainsi leur grand potentiel en tant que matériaux intelligents et économiques en énergie.Dans la dernière partie, nous étudions pour la première fois l'intégration du WO3-x nanostructuré à l'intérieur de fibres polymères. Nous discutons l'incorporation directe de nanoparticules de WO3-x dans une matrice de fibres optiques plastiques (POF) en polyméthacrylate de méthyle par polymérisation radicalaire en masse. La préforme dopée fabriquée présente un comportement photochromique irréversible. De manière surprenante, la fibre unique se révèle efficacement photochromique grâce à une dégradation du signal de transmission lors de l'irradiation UV. Il a été prouvé que le WO3-x joue un double rôle en tant que centres d'absorption intrinsèques et extrinsèques, entraînant ainsi des pertes de transmission plus élevées. Néanmoins, l'étude de coloration de la fibre unique dopée a révélé une réponse rapide à la dose d'UV en fonction du temps d'irradiation. Les systèmes proposés (fibres plastiques dopées) ont démontré leur grand potentiel en tant que matériaux inorganiques/organiques novateurs dans le domaine des capteurs photochromiques fibrés. De plus, nous proposons la conception d'une fibre optique plastique cœur/gaine. La gaine est composée du WO3-x nanostructuré avec une coeur commerciale en polyéther sulfone (PES). Pour finir, nous avons étudié l'impact environnemental de nos produits d’une échelle du laboratoire à une échelle industrielle en utilisant la méthode d'évaluation du cycle de vie.

The incorporation of X-chromic tungsten oxides WO3-x in a polymer matrix is the core subject of the thesis. It represents a significant contribution to the ongoing research on "X-chrome" materials at ICMCB. In the first part of this thesis, we investigate the implementation of different techniques to develop the photochromism of nanostructured tungsten oxide WO3-x. The first method is the tuning of the oxygen sub-stoichiometry of as-prepared NPs from a polyol process via peptization of the NPs in an aqueous solution of different Cr2O72- concentrations. The W/O stoichiometric ratio has been analyzed by multiple technics. The most re-oxidized samples exhibit the best selectivity (high visible transparency but with high NIR absorptivity) for the use of these compounds as solar filters, i.e., with the best contrast between the visible and near-infrared transmission. The prepared thin films by dip coating proved to be efficient for UV photo-detection even at a very low power density (9.2 W/m2) for UV illumination. The second method is structural doping by copper (Cu). The bleaching kinetic is enhanced due to shallow states created in the band gap of the WO3 semiconductor associated with copper cation doping, which could in turn extend the light-harvesting ability of this compound to the visible and near-infrared region.In the second part, we present the fabrication of WO3-x/PVA composite films as smart photochromic coatings on glass substrate by two methods: solvent casting (SC) and dip-coating (DC). After carefully analyzing the relationship between the SC and DC film characterizations and their optical performance, we conclude that the SC method leads to films that are better candidates for post-optical application in terms of scattering reduction, improved visible/infrared contrast, and better photochromic efficiency. The photochromic SC smart windows proposed here are equally efficient while being more affordable than electrochromic panels or VO2 thermochromic thin films to reduce the inner house temperature (almost 20°C) upon solar irradiation, demonstrating their great potential as smart cost-effective energy-saving materials.In the last part, we investigate for the first time, the integration of the nanostructured WO3-x inside microfibers. We discuss the direct incorporation of NPs in a matrix of plastic optical fibers (POFs) of polymethyl methacrylate by bulk radical polymerization. The fabricated doped preforms show an irreversible photochromic behavior. But surprisingly, the single fiber proofs to be an efficient photochromism through a large degradation of transmission signal upon UV irradiation and nearly full reversibility (regain of the transmission under dark conditions through WO3 bleaching). Furthermore, the coloring study of the single-doped fiber reveals a fast response to the UV dose upon irradiation time. The WO3-polymer composite fibers demonstrate their great potential as novel inorganic/organic materials in the domain of photochromic sensors and textiles. Additionally, we propose the design of polymer core / composite cladding fibers. Here the cladding consists of the nanostructured WO3-x dispersed in a PVP matrix coated on a commercial core of polyether sulfone (PES). The photochromic plastic fibers show a phenomenon of “negative” photochromism where the transmitted signal is amplified under UV irradiation.Finally, in the last part, we investigate the environmental impact of our lab-scale products on an industrial scale using the life cycle assessment method.