Controlled Functionalization of Surfaces Through Syngas Photo-Initiated Chemical Vapor Depostion

Les techniques de modification de surface ont gagné beaucoup d'intérêt en raison de leur capacité à adapter, sans altérer la majeure partie d'un matériau, les propriétés de sa surface. Cependant, il existe un besoin pour de nouveaux précurseurs ainsi que pour des procédés peu coûteux et industriellement évolutifs. Bien que de nombreuses méthodes aient été exploitées pour la modification de surface de nanoparticules (NP), la plupart souffrent de la complexité de la préparation (par exemple la technique sol-gel), du matériel coûteux et des conditions de fonctionnement coûteuses et prohibitives (basse pression et/ou haute température, pour la déposition en phase vapeur par plasma ou thermiquement activée - CVD -). Ce projet de recherche abordera ces limites en étudiant une approche de fonctionnalisation plus pertinente du point de vue technique, c'est-à-dire la CVD photo-initiée (PICVD). Cette technique est supérieure en raison de la conception simple du réacteur, sa facilité d'utilisation et de contrôle, son évolutivité, sa polyvalence, son abordabilité et sa faible empreinte écologique. En plus de traiter les problèmes de traitement énumérés ci-dessus, l'efficacité énergétique de cette méthode est plus élevée que les méthodes CVD traditionnelles puisque la longueur d'onde utilisée pour l'irradiation des précurseurs est choisie pour cibler des liaisons moléculaires spécifiques. D'autre part, les déchets industriels deviennent un véritable défi pour le monde d'aujourd'hui. La production mondiale de gaz de synthèse a été enregistrée à 116 000.0 MW thermiques (MWth) en 2014 et devrait atteindre 213 100 MWth d'ici 2020, avec un taux de croissance annuel composé de 9,5% entre 2015 et 2020. Compte tenu de la production massive de syngas en tant que sous-produits de plusieurs procédés, la mise en oeuvre pratique de ce composé pour le revêtement fonctionnel pourrait avoir un impact profond dans l'environnement, ainsi que dans les industries de revêtement et de dépôt. Pour surmonter ces problèmes, nous avons examiné la synthèse de Fischer-Tropsch. Dans ce procédé, des catalyseurs sont utilisés pour transformer du syngaz en hydrocarbures. Les catalyseurs se désactivent pendant ce processus en raison de la formation d'espèces de carbone légèrement polymérisées. Cet encrassement de surface peut être réimaginé comme de l'ingénierie de surface. Ceci nous a incités à considérer le gaz de synthèse comme un précurseur réactif alternatif dans le PICVD. Cette présente thèse analyse le PICVD en trois parties distinctes: (1) La faisabilité et l'applicabilité du PICVD par gaz de synthèse via des lampes UVC à partir d'une étude de cas en gestion des déchets. (2) Les cinétiques et les mécanismes de réaction du PICVD ainsi que les paramètres opérationnels optimaux permettant un contrôle sur la chimie, l'épaisseur et la morphologie du film déposé. (3) Détermination du potentiel de mise à l'échelle du PICVD par l'encapsulation fonctionnelle de nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer dans un réacteur à lit fluidisé assisté par jet dans l'objectif de son industrialisation qui permettra de diminuer de l'écart entre le revêtement de nanoparticules à grande échelle et à petite échelle. Dans la première section, nous développons une méthodologie permettant d'extraire des nanoparticules fonctionnelles encapsulées peu coûteuses provenant de cendres volantes issues de déchets municipaux. En plus de démontrer les bénéfices apportés à l'environnement grâce à l'application économique de deux flux de déchets, soit les cendres volantes municipales et la production mondiale de gaz de synthèse, notre approche illustre la possibilité de production de matériels de valeur à faible coût. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons de quelles façons les paramètres opérationnels, c'est-à-dire le temps de résidence, la durée du traitement ainsi que le ratio gazeux, affectent l'épaisseur, la morphologie et la densité de groupes fonctionnels d'intérêts. Nous proposons ensuite une cinétique et un mécanisme de réaction pour le PICVD pas gaz de synthèse via des lampes UVC, ceci n'ayant jamais été fait auparavant. Finalement, dans la troisième partie de ce travail, nous diminuons l'écart entre le revêtement de surface de nanoparticules à petite échelle et les applications industrielles à grande échelle, permettant ainsi la synthèse de grandes quantités de nanoparticules multifonctionnelles encapsulées avec une technique à faible consommation d'énergie et consommant un déchet gazeux (syngaz) à température ambiante et pression atmosphérique. Ceci représente une étape considérable vers le développement durable. Les recherches présentées dans cette thèse sont donc multidisciplinaires et originales sur plusieurs aspects: - Dans le domaine de l'environnement, elle aide à résoudre le problème de déchet en les réutilisant à l'aide d'un procédé à faible consommation d'énergie. - Dans le domaine du matériau, elle apporte une solution potentielle au problème d'agglomération des nanoparticules ainsi qu'au développement de nanocatalyseurs et de membranes de séparation. - Dans le domaine des biomatériaux, elle permet de produire des nanoparticules encapsulées fonctionnelles, ayant des applications en imagerie et dans la délivrance de médicaments lors de traitement thérapeutique contre le cancer, en grandes quantités à partir d'une technique économique.