Céramiques 3D : Synthèse, Caractérisation et Applications (catalyse et traitement des eaux usées)

3D Ceramics: Synthesis, Characterization, and Applications (Catalysis and wastewater Treatment)

• Auteur / Autrice : Hippolyte Dory
• Direction : Philippe Miele
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 20/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
• Jury : Président / Présidente : Miryana Hemadi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Miele, Nicholas M Bedford, Emanuel Ionescu, Chrystelle Salameh, Damien Voiry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicholas M Bedford, Emanuel Ionescu

Mots clés

Mots clés libres

Céramique

Impression 3D

Polymère précéramique

Catalyse

Traitement des eaux

Ceramic

3D printing

Preceramic polymer

Catalysis

Wastewater treatment

Résumé

Les avancées dans le domaine de la fabrication additive ont ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux céramiques haute performance destinés à des applications critiques, telles que la catalyse et la purification de l'eau. Cette étude présente une investigation détaillée sur la synthèse, l'impression 3D, et la fonctionnalisation de systèmes céramiques avancés, notamment SiOC, SiCN et mullite, en utilisant des techniques de fabrication additive basées sur la photopolymérisation. Au chapitre 2, nous développons une approche polyvalente pour l'impression 3D de céramiques, en formulant des polymères précéramiques photoréticulables via deux méthodes : (i) le mélange du polymère précéramique avec des monomères photoactifs et (ii) le greffage de groupements photopolymérisables sur des polymères précurseurs. Ces systèmes sont ensuite traités par impression 3D via la technique UV-LCD et convertis en structures céramiques denses ou poreuses grâce à une pyrolyse contrôlée. Les céramiques SiOC et SiCN obtenues présentent une haute résolution, une rugosité de surface ajustable et une excellente intégrité structurelle, posant ainsi les bases pour leur utilisation dans des applications exigeantes. Dans le prolongement de cette démarche, le chapitre 3 explore le potentiel catalytique des céramiques imprimées en 3D à base de SiOC et SiCN. En tirant parti des propriétés de surface ajustées et des architectures poreuses obtenues grâce à la fabrication additive, ces céramiques sont fonctionnalisées via la technique de dépôt de couches atomiques (ALD) pour incorporer des espèces catalytiques actives, notamment des nanoparticules de palladium. À notre connaissance, cette étude est la première à combiner les céramiques SiOC et l'ALD. Les matériaux montrent une excellente activité et stabilité catalytique dans une réaction modèle de Suzuki-Miyaura. Ce chapitre met également en avant la robustesse et la réutilisabilité des catalyseurs, soulignant leur importance pratique dans des systèmes catalytiques durables et écoénergétiques. Ensuite, une seconde partie présente la synthèse de nouveaux précurseurs polymériques précéramiques contenant des métaux, obtenus par une approche de chimie de coordination en greffant des ligands sur la chaîne polymérique précéramique. Ces précurseurs permettent de fabriquer des céramiques contenant du cuivre et du cobalt. Les céramiques oxydes et non oxydes ont été caractérisées intensivement par diffraction des rayons X à haute énergie et analyse de type total scattering à l’aide de radiations Synchrotron. Le chapitre 4 étend le champ d'application à la dépollution environnementale, notamment la purification de l'eau. Des membranes céramiques à base de mullite sont fabriquées par impression 3D, en utilisant une suspension céramique photoréticulable, suivie d'une modification de surface via un procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) afin d'améliorer leurs propriétés de filtration. Les membranes modifiées présentent une efficacité remarquable pour la séparation huile-eau dans divers solvants organiques, démontrant des débits élevés et une sélectivité accrue. L'étude détaille également l'optimisation des paramètres d'impression 3D et du post-traitement pour maximiser les performances des membranes, positionnant ces membranes en mullite comme des candidates prometteuses pour des technologies de purification de l'eau à grande échelle. Ce travail met en lumière le potentiel significatif des céramiques imprimées en 3D dans des applications fonctionnelles avancées, allant de la catalyse à la protection de l'environnement. Les résultats soulignent non seulement la polyvalence de la fabrication additive dans la production de structures céramiques complexes, mais ouvrent également de nouvelles voies pour le développement de matériaux haute performance répondant aux défis industriels et environnementaux.

Advances in additive manufacturing have opened new frontiers in the development of high-performance ceramic materials for critical applications, including catalysis and water purification. This study presents a detailed investigation into the synthesis, 3D printing, and functionalization of advanced ceramic systems—namely silicon oxycarbide (SiOC), silicon carbonitride (SiCN), and mullite ceramics—through photopolymerization-based additive manufacturing techniques. In Chapter 2, we develop a versatile approach to 3D printing ceramics by formulating photocurable preceramic polymers via two methods: (i) blending of the preceramic polymer with photoactive monomers and (ii) grafting photopolymerizable moieties onto precursor polymers. These systems are processed using UV-LCD 3D printing and subsequently converted into dense or porous ceramic structures through controlled pyrolysis. The resulting SiOC and SiCN ceramics exhibit high resolution, tunable surface roughness, and excellent structural integrity, laying the foundation for their use in demanding applications. Building upon this, Chapter 3 explores the catalytic potential of the 3D-printed SiOC and SiCN ceramics. By leveraging the tailored surface properties and porous architectures achieved through additive manufacturing, these ceramics are functionalized via atomic layer deposition (ALD) to introduce active catalytic species, palladium nanoparticles. This thesis is the first study, to our knowledge, to combine SiOC ceramics and ALD. The materials demonstrate great catalytic activity and stability in a model Suzuki-Miyaura reaction, with potential applications in industrial chemical processes. This chapter also highlights the robustness and reusability of the catalysts, underscoring their practical significance in sustainable and energy-efficient catalytic systems. Then in a second part, new metal-containing preceramic polymeric precursors were synthesized using a coordination chemistry approach by grafting ligands on the preceramic polymer backbone. These precursors lead to the fabrication of Cu and Co bearing ceramics. Both oxide and non-oxide ceramics were under study. They have been intensively characterized using high energy X-Ray diffraction and total scattering using synchrotron radiations. In Chapter 4, the scope of application extends to environmental remediation, specifically water purification. Mullite-based ceramic membranes are fabricated via 3D printing using a photocurable ceramic slurry, followed by surface modification using a Vapor-Liquid-Solid (VLS) process to enhance their filtration properties. The modified membranes exhibit remarkable efficiency in oil-water separation across various organic solvents, demonstrating high flow rates and selectivity. The study further details the optimization of 3D printing parameters and post-processing to maximize membrane performance, positioning these mullite membranes as promising candidates for scalable water purification technologies. This work highlights the significant potential of 3D-printed ceramics in advanced functional applications, from catalysis to environmental protection. The findings not only highlight the versatility of additive manufacturing in fabricating complex ceramic structures but also open new pathways for the development of high-performance materials for industrial and environmental challenges.