Matériaux nanocomposites polymères/matériaux 2D exfoliés obtenus par émulsion de Pickering

Exfoliated nano-composite materials polymers/2D materials obtained by Pickering emulsions

• Auteur / Autrice : Bonito Aristide Karamoko
• Direction : Philippe Miele, Benjamin Yao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny (Yamoussoukro, Côte d'Ivoire)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Rénal Backov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Miele, Benjamin Yao, Rénal Backov, Bérangère Toury-Pierre, David Boa, Gouessé Henri Briton Bi, Chrystelle Mounir Salameh
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bérangère Toury-Pierre, David Boa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Émulsions de Pickering

Matériaux hybrides

Matériaux 2D

Mots clés libres

Matériaux 2D

Membranes nano-composites

Émulsions de Pickering

2D Materials

Nano-Composite membrane

Pickering emulsions

Résumé

Dans ce travail de thèse, une nouvelle méthode de fabrication de monolithes poreux de céramiques dérivées de polymères a été proposée, en combinant la voie polymère précéramique avec la méthode des émulsions de Pickering en utilisant des matériaux 2D comme stabilisant. Cette approche innovante a permis de surmonter la sensibilité à l'eau des précurseurs de céramiques en développant une stratégie d'émulsions de Pickering « huile dans huile » pour préparer les nanocomposites poreux. Les émulsions de Pickering DMSO/cyclohexane stables ont été obtenues grâce à l’adsorption des nanofeuillets d’oxyde de graphène à l'interface DMSO/cyclohexane, induite par l'ajustement de la chimie de surface du matériau et un processus d’émulsification adéquat. Ces monolithes poreux ont été utilisés comme matériaux d'électrode pour des réactions électrochimiques, notamment pour le stockage électrochimique de l'énergie en utilisant la technologie Li-ions. Les performances des différentes compositions ont été évaluées et ont délivré des capacités de charge/décharge comparables à celles trouvées dans la littérature. La structure poreuse des monolithes a joué un rôle crucial dans le processus d’insertion/extraction des ions lithium par rapport au SiOC (900°C) non poreux. Bien que la présence de porosité hiérarchique au sein des nanocomposites ait conduit à une forte perte de capacités irréversibles au cours du premier cycle, il a été démontré que les plus grandes surfaces spécifiques ne sont pas toujours associées à une capacité spécifique plus élevée. Néanmoins, les monolithes poreux SiOC-GO-R16 (23%, 900°C) ont délivré des capacités spécifiques élevées et supérieures à celle de la capacité théorique du graphite (372 mAh g-1). En outre, les monolithes poreux SiOC-GO-R16 (23%, 900°C) ont montré leur efficacité en tant que catalyseurs pour la conversion d'acides gras provenant de l'huile d'hévéa en esters méthyliques, en particulier le catalyseur Pd/SiOC-GO-R16 (23%, 900°C). Cette transformation est importante car les esters méthyliques issus de l’huile végétale peuvent être utilisés comme biocarburants, offrant ainsi une alternative renouvelable et respectueuse de l'environnement aux carburants fossiles.

In this doctoral research, a new method for manufacturing porous monoliths of polymer-derived ceramics was proposed, combining the preceramic polymer pathway with the Pickering emulsion method using 2D materials as stabilizers. This innovative approach overcame the water sensitivity of ceramic precursors by developing an ''oil-in-oil'' Pickering emulsion strategy to prepare porous nanocomposites. Stable DMSO/cyclohexane Pickering emulsions were obtained through the adsorption of graphene oxide nanosheets at the DMSO/cyclohexane interface, induced by adjusting the surface chemistry of the material and a suitable emulsification process. These porous monoliths were used as electrode materials for electrochemical reactions, particularly for electrochemical energy storage using Li-ion technology. The performance of different compositions was evaluated and delivered charge/discharge capacities comparable to those found in literature. The porous structure of the monoliths played a crucial role in the lithium-ion insertion/extraction process compared to non-porous SiOC (900°C). Although the presence of hierarchical porosity within the nanocomposites led to a significant loss of irreversible capacities during the first cycle, it was demonstrated that larger specific surfaces are not always associated with a higher specific capacity. Nevertheless, the porous SiOC-GO-R16 (23%, 900°C) monoliths delivered high specific capacities exceeding the theoretical capacity of graphite (372 mAh g-1). Furthermore, the porous SiOC-GO-R16 (23%, 900°C) monoliths proved effective as catalysts for the conversion of fatty acids from rubber tree oil into methyl esters, especially the Pd/SiOC-GO-R16 (23%, 900°C) catalyst. This transformation is important as methyl esters derived from vegetable oil can be used as biofuels, thus offering a renewable and environmentally friendly alternative to fossil fuels.