Synthèse et caractérisation des systèmes poreux ionosilice-(poly)liquide ionique.

Synthesis and characterization of ionosilica-(poly)ionic liquid porous systems.

• Auteur / Autrice : Shilpa Sharma
• Direction : Peter Hesemann, Johan Alauzun
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : D3 - Matériaux Poreux et Hybrides
• Jury : Président / Présidente : Corine Gerardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Hesemann, Marie-Hélène Delville, Jean-Luc Blin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Hélène Delville, Jean-Luc Blin

Mots clés

Mots clés libres

Ionosilice

Liquide ionique

Poly(liquide ionique)

Procédé sol-gel

Composites binaires ionosilice

Composites ternaires ionosilice

Ionosilica

Ionic liquid

Poly(ionic liquid)

Sol-gel process

Binary ionosilica composites

Ternary ionosilica composite

Résumé

Cette thèse se concentre sur l’élaboration de composites entièrement ioniques, constitués d'ionosilice, de liquides ioniques et de poly(liquides ioniques), afin d’optimiser la performance des matériaux et d’améliorer le transport ionique. L’objectif principal est d’explorer la conception, la synthèse et la caractérisation de matériaux à base d’ionosilice, en mettant l’accent sur deux systèmes clés : les composites binaires d’ionosilice, élaborés à partir de liquides ioniques (IL), et les composites ternaires d’ionosilice incorporant également des poly(liquides ioniques) (PIL). La première partie de cette thèse est centrée sur la synthèse de composites binaires d’ionosilice, où le liquide ionique est confiné dans la matrice d’ionosilice (IS). Un aspect clé de cette recherche est l’optimisation d’une nouvelle voie de synthèse hydrolytique sol-gel pour les films des ionogels d’ionosilice, en comparaison avec la méthode de synthèse non hydrolytique traditionnelle. L’influence de la teneur en liquide ionique au cours du procédé sol-gel est étudiée de manière approfondie. Grâce à une comparaison systématique des voies de synthèse hydrolytique et non hydrolytique, cette étude vise à caractériser de manière exhaustive la porosité résultante à l’aide de techniques avancées d’analyse multi-échelle, notamment l’analyse thermogravimétrique (ATG), la sorption d’azote, la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la microscopie électronique à transmission (MET). De plus, cette recherche examine comment les caractéristiques des pores (taille, forme, fraction volumique) dépendent des conditions de synthèse, en particulier de la teneur en liquide ionique. La deuxième partie traite des composites ternaires d’ionosilice plus complexes, combinant un poly(liquide ionique) et un liquide ionique (IL) dans une matrice de silice. Cette recherche vise à comprendre comment le PIL interagit avec la matrice d’ionosilice durant la synthèse et fournit des détails cruciaux sur la manière dont sa conformation est influencée par différents solvants et conditions, ainsi que sur l’impact qui en résulte sur la nanostructure globale du matériau composite. Une attention particulière est accordée à l’effet de l’incorporation du PIL sur la structure des pores, la surface et l’intégration dans la structure de l’ionosilice. En explorant différentes voies de synthèse et les interactions polymère-solvant, cette étude vise à comprendre comment le PIL modifie la nanostructure et améliore les performances des matériaux. Grâce à la combinaison de stratégies de synthèse innovantes et à une analyse approfondie des nanostructures résultantes, cette thèse vise à offrir de nouvelles perspectives sur la conception et l’optimisation de matériaux à base d’ionosilice pour des applications fonctionnelles avancées.

This thesis focuses on the elaboration of all-ionic porous composites composed of ionosilica, ionic liquids and polymeric ionic liquids for enhanced material performance. The primary objective is to explore the design, synthesis, and characterization of ionosilica-based materials, focusing on two key systems: binary ionosilica composites templated by ionic liquids (ILs) and ternary ionosilica composites incorporating polymeric ionic liquids (PIL) as well. The first part of this thesis centers on the synthesis of binary ionosilica composites, where IL is confined within the ionosilica (IS) matrix. A key aspect is the optimization of a novel hydrolytic sol-gel synthesis pathway for ionosilica ionogel films and a comparison with the traditional non-hydrolytic synthesis route. The influence of the IL content during the sol-gel process is thoroughly investigated. Through a systematic comparison of hydrolytic and non-hydrolytic synthesis routes, this study aims to comprehensively characterize the resulting porosity using advanced multi-scale analysis techniques, including thermogravimetric analysis (TGA), nitrogen sorption, small-angle X-ray scattering (SAXS), and transmission electron microscopy (TEM). Additionally, the study examines how pore characteristics (size, shape, volume fraction) depend on synthesis conditions, particularly the ionic liquid content. The second part delves into the more complex ternary ionosilica composites, where PIL is incorporated alongside IL within the ionosilica matrix. Using a combination of small-angle X-ray scattering (SAXS), small-angle neutron scattering (SANS), and nitrogen sorption, this work investigates the conformation and spatial distribution of PIL chains in various solvents and within the ionosilica composite structure. The research aims to elucidate how PIL interacts with the ionosilica matrix during synthesis, and also provides crucial details about how its conformation is influenced by different solvents and conditions, as well as the resulting impact on the overall nanostructure of the composite material. Special attention is given to the effect of PIL incorporation on the pore structure, surface area, and integration within the ionosilica framework. By exploring different synthesis pathways and polymer-solvent interactions, this study aims to understand how PIL modifies the nanostructure and enhances material performance. Through the combination of innovative synthetic strategies with a comprehensive analysis of the resulting nanostructures, this thesis aims to offer new insights into the design and optimization of ionosilica-based materials for advanced functional applications.