Décharge électrique à l'interface de deux liquides : application à la synthèse de nanoparticules

Abstract

Les procédés plasma-liquide sont considérablement étudiés en raison de leur potentiel élevé dans la production de divers nanomatériaux, parmi d’autres applications technologiques. En plus d'un rendement relativement élevé (mg/min) et d'une infrastructure simplifiée, les mécanismes de synthèse sont directs. Le fait que les produits restent confinés dans la solution, la manipulation de nanomatériaux ne présente un danger ni aux vivants ni à l’environnement. Dans ce mémoire de maitrise, les méthodes les plus courantes pour la synthèse de nanomatériaux, en particulier les systèmes plasma-liquide, sont discutées. La formation de différents régimes de plasma dans des liquides, dont chacun a des caractéristiques et des applications différentes, est présentée. Ensuite, le système multi-liquide et ses caractéristiques, telles que les caractéristiques électriques et la dynamique de l’émission des décharges dans différentes conditions, sont exposés. Pour la synthèse de nanoparticules, on traite les décharges Sparks (étincelles) avec une attention particulière. Au lieu de les produire entre deux électrodes immergées dans un liquide diélectrique, les décharges sont produites dans un hydrocarbure liquide entre une électrode et une solution conductrice. Cette dernière est produite via l’ajout de nitrate d’argent dans l’eau. Le plasma, via ses espèces réactives, réduit les ions Ag+ en Ag0 qui forment ensuite les nanoparticules. La décomposition de l’hydrocarbure produit aussi des espèces carbonées qui se recombinent sous forme d’une matrice hydrocarbonée. En se basant sur différentes méthodes de caractérisations (FTIR, MEB, MET, UV-vis, etc.), nous identifions deux zones de réactions : dans le plasma dans l’heptane et à l’interface plasma-solution. Les produits dans la première zone sont majoritairement des nanoparticules (< 10 nm) d’Ag enrobées dans une matrice de carbone hydrogénée. Cependant, les produits dans la solution sont des nanoparticules d’Ag (sans matrice) ayant une distribution de taille de quelques dizaines de nanomètres.

Plasma-liquid systems are significantly investigated due to their high potential in the production of various nanomaterials, among other technological applications. In addition to relatively high efficiency in production (mg/min) and simplified infrastructure, the mechanisms of synthesis are rather direct. Also, because the products are confined in solution, the handling of the nanomaterials do not present risks to the living or to the environment. In this master thesis, the most common methods for nanomaterial synthesis, in particular plasma-liquid systems, are discussed. Formation of different plasma regimes in liquids, which each of them has different features and application, are explained. Then, the multiple liquid system and their feature such as electrical characteristics and emission dynamic of the discharges at different conditions, are investigated. To produce nanoparticles, we present the Spark discharges with special attention. Instead of their production between two electrodes immersed in a liquid dielectric, the discharges are produced in a liquid hydrocarbon between one electrode and a conductive solution. This latter is prepared by adding silver nitrate to water. The plasma, through its reactive species, reduces the ions Ag+ to Ag0 that produces nanoparticles. The decomposition of the hydrocarbon produces carbonaceous species that recombine as hydrocarbon matrix. Based on the different characterisation techniques (FTIR, SEM. TEM. UV-vis, etc.), we identified two zones of reactions: in plasma in heptane and at the interface plasma-solution. The products in the former zone are majority 10 nm-particles of Ag embedded in a hydrocarbon matrix, while the products in solution are Ag nanoparticles (without matrix) with size of several tens of nanometers.