Published February 20, 2009 | Version v1
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Elaboration of hybrid materials by templating with mineral liquid crystals stabilization of a mixed sol of YSZ nanoparticles and V2O5 ribbon-like colloids

Description

The purpose of this PhD was to investigate innovative soft chemistry ways to prepare hybrid materials with ordered nano-structures. Concretely, research were conducted on the development of a hybrid material made of an yttria-stabilized zirconia (YSZ) matrix templated by a mineral liquid crystal, namely V2O5. In aqueous solutions, vanadium oxide exhibits ribbon-like colloids of typical dimensions 1 nm x 25 nm x 500 nm, stabilized by a strong negative surface charge. Above a critical concentration, the anisotropic colloids assemble into a nematic liquid crystal, whose domains can be oriented within the same direction over a macroscopic range under a weak magnetic field. The idea is to use V2O5 anisotropic colloids as a template for a hybrid material, taking advantage of their ordering behavior. Preliminary experiments revealed a strong reactivity between molecular compounds of zirconium and vanadium oxide. Therefore, the studies were directed toward the preparation of a mixed colloidal sol containing YSZ nanoparticles and vanadium oxide ribbon-like colloids, as a precursor sol for the intended hybrid material. The YSZ nanoparticles are obtained through an outstanding hydrothermal synthesis leading to a stable suspension of nanocrystalline particles of ca. 5 nm, in pure water. Providing a mixed sol of YSZ and V2O5 is a key challenge for it implies the co-stabilization of two types of colloids having different shape, size and surface properties. Besides, the existence of V2O5 in its ribbon-like form requires acidic conditions and very low ionic strength. The first part of this work was then dedicated to the study of electro-steric stabilization of zirconia suspension by addition of acidic poly-electrolytes. Different polymers with carboxylic and/or sulfonic acidic functions were investigated. Based on zeta potential measurements and adsorption isotherms, the influence of molecular weight and polymer charge were discussed. Among the studied polymers, poly vinylsulfonic acid (PVS) led to stable suspensions which fulfill zeta potential and pH requirements assumed to allow contact with V2O5 colloids. Stable mixed YSZ/PVS/V2O5 sols were then obtained, whose stability limits were discussed. The observations highlighted a probable competition between a depletion effect coming from the mixing of colloids of different size and shape, and the stabilization of a 3D gel network originating from the electrostatic repulsion between V2O5 ribbons. The evaporation of such mixed sols led to hybrid solids whose birefringence revealed an anisotropy caused by the presence of V2O5 ribbons. Various techniques were used to characterize the hybrid material, such as X-ray diffraction and electronic microscopy. (author)

Abstract (French)

Cette these s'inscrit dans une demarche d'exploration de methodes de synthese innovantes conduisant a des materiaux hydrides structures a l'echelle nanometrique par les voies de la chimie douce. Cette exploration s'est appuyee sur le developpement d'un materiau hybride constitue d'une matrice de zircone yttriee au sein de laquelle est incorpore un cristal liquide mineral d'oxyde de vanadium V2O5. L'oxyde de vanadium en solution aqueuse forme des especes colloidales anisotropes ayant la forme de rubans de dimensions typiques 1 nm x 25 nm x 500 nm. Ces colloïdes sont stabilises par une charge de surface negative, et s'organisent, a partir d'une certaine concentration, en une phase cristal liquide nematique, dont les domaines peuvent etre orientes le long d'une direction commune a l'echelle macroscopique par l'application d'un champ magnetique faible. L'objectif est donc d'utiliser ces colloïdes anisotropes comme 'template', en tirant parti de leurs proprietes d'organisation collective pour amener un ordre supplementaire au sein du materiau hybride. Les experiences preliminaires ayant revele une reactivite particuliere de l'oxyde de vanadium vis-a-vis des composes moleculaires du zirconium, les etudes se sont tournees vers la preparation d'une suspension colloïdale mixte composee de nanoparticules de zircone et de rubans de V2O5, et constituant un sol precurseur du solide hybride envisage. Les nanoparticules de zircone sont preparees par une synthese hydrothermale remarquable conduisant a des nanoparticules monocristallines de l'ordre de 5 nm stables en suspension dans l'eau pure. Cependant, la preparation d'un sol mixte d'oxyde de vanadium et de zircone yttriee est tres delicate, puisqu'il s'agit de stabiliser ensemble deux types de colloïdes, non seulement de forme et de taille differentes, mais aussi et surtout de charge de surface opposees. De plus, les conditions d'existence des rubans de V2O5 imposent un milieu de pH acide et de force ionique faible. Une premiere partie de cette these est donc dediee a l'etude de la stabilisation electrosterique de suspensions de zircone par l'ajout de polyelectrolytes acides. L'effet de l'ajout de differents polymeres presentant des fonctions acide carboxylique et acide sulfonique a ainsi ete etudie. En particulier, l'influence de la masse moleculaire ou de la charge du polymere est discutee a travers les mesures de potentiel zeta et la determination d'isothermes d'adsorption. Parmi les polymeres etudies, l'acide poly (vinyl sulfonique) (PVS) a permis d'obtenir des suspensions de zircone presentant des proprietes interessantes en vue de la mise en contact avec les sols aqueux de V2O5. Ainsi, des sols mixtes zircone yttriee / PVS / V2O5 stables ont pu etre prepares. Les limites de stabilite de tels sols mixtes sont discutees. Notamment, une competition entre un effet de depletion dû au melange de colloïdes de forme et de taille differentes, et la formation d'un gel tridimensionnel stabilise par les interactions repulsives entre les rubans de V2O5, semble avoir lieu. L'evaporation de tels sols mixtes a permis de preparer des solides hybrides, dont la birefringence atteste d'une anisotropie generee par l'insertion de rubans de V2O5 au sein du solide. Ces solides ont ete caracterises par differentes techniques telles que la spectroscopie infrarouge, la diffraction des rayons X et la microscopie electronique en transmission

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Original title (French)
Utilisation de cristaux liquides mineraux comme 'template' pour l'elaboration de solide hybride mesostructure. Stabilisation d'un sol mixte de nanoparticules de zircone yttriee et de rubans d'oxyde de vanadium

Publishing Information

Imprint Pagination
255 p.
Report number
FRCEA-TH--1269

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
44035084
Subject category
S36: MATERIALS SCIENCE;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
COLLOIDS; ELECTROLYTES; LIQUID CRYSTALS; NANOSTRUCTURES; PARTICLES; POLYMERS; SUSPENSIONS; VANADIUM OXIDES; YTTRIUM; ZIRCONIUM OXIDES
Descriptors DEC
CHALCOGENIDES; CRYSTALS; DISPERSIONS; ELEMENTS; FLUIDS; LIQUIDS; METALS; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; TRANSITION ELEMENT COMPOUNDS; TRANSITION ELEMENTS; VANADIUM COMPOUNDS; ZIRCONIUM COMPOUNDS

Optional Information

Notes
[265 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/