Interfacial Synthesis of Metal Nanoparticles in Soft Matter Systems

Depuis les dernières décennies, il y a un intérêt grandissant pour les nanoparticules (NPs) métalliques. Il a été découvert par exemple que les nanoparticules d’or sont étonnamment d’excellents catalyseurs, au contraire de ce qui était attendu, grâce à leur haute proportion en atomes de surface. Ces derniers sont sous-coordonnés et ont donc une énergie plus élevée qui leur confère des propriétés catalytiques très intéressantes. Elles peuvent également catalyser un grand nombre de réactions chimiques en utilisant des conditions dites « douces » – température ambiante et en solution aqueuse. Ainsi, ces nanoparticules sont particulièrement étudiées pour le développement de procédés chimiques « verts » pour remplacer les procédés traditionnels plus chers et/ou plus polluants. Cependant, l'utilisation directe de ces particules en solution nécessite des procédés de séparation complexes et coûteux, sans compter que ces particules risquent une agglomération et une désactivation progressive (perte de leur pouvoir catalytique). Pour éviter ces inconvénients, une immobilisation des nanoparticules sur ou à l’intérieur d’un support est requis, ce qui entraîne toutefois son lot de problèmes. L’immobilisation est souvent une étape complexe et/ou coûteuse, qui peut également mener à une réduction des performances catalytiques. Un type de support prometteur pour éviter certaines de ces problématiques sont les hydrogels. Ces derniers peuvent facilement immobiliser les particules tout en conservant des propriétés de diffusion similaires aux liquides avec un comportement mécanique qui s’apparente aux solides. La diffusion est toutefois limitée dans le volume du gel, ralentissant ainsi la réaction puisque les réactifs doivent diffuser jusqu’aux nanoparticules catalytiques immobilisées à même le volume de l’hydrogel. Ce projet de recherche se concentre à fournir des réponses à ces limitations : nous cherchons à immobiliser les nanoparticules à l’interface de l’hydrogel afin d’éliminer les problèmes d’accessibilité et d’immobilisation. Cependant, cela conduit à de nouvelles problématiques, telles que la réduction des propriétés catalytiques des nanoparticules ou bien à un mauvais ancrage des particules, suivi de leur perte ultérieure. L'objectif principal de ce projet est donc de développer et d’optimiser la synthèse de nanoparticules à l’interface de gels, d’émulsions et de supports en polymère.

Abstract

In recent decades, there has been growing interest in metallic nanoparticles (NPs). It was discovered, for example, that gold nanoparticles are surprisingly good catalysts contrary to expectations, thanks to their high proportion of surface atoms. The latter are sub-coordinated and therefore have a higher energy, which gives them very interesting catalytic properties. They can also catalyze a wide range of chemical reactions under "mild" conditions – at room temperature and in aqueous solution. These nanoparticles are therefore being studied especially for the development of "green" chemical processes to replace more expensive and/or more polluting traditional processes. However, the direct use of these particles in solution requires complex and costly separation processes, not to mention the risk of agglomeration and progressive deactivation (loss of catalytic power). To avoid these drawbacks, nanoparticles need to be immobilized on or inside a support, but this brings its own set of problems. Immobilization is often a complex and/or costly step, which can also lead to a reduction in catalytic performance. Hydrogels are a promising type of support to avoid some of these problems. They can easily immobilize the particles while retaining diffusion properties similar to liquids, with mechanical behavior akin to solids. However, diffusion is limited within the volume of the gel, slowing down the reaction since the reagents must diffuse to the catalytic nanoparticles immobilized within the volume of the hydrogel. This research project focuses on providing answers to these limitations: we seek to immobilize the nanoparticles at the gel interface in order to eliminate accessibility and immobilization problems. However, this leads to new problems, such as a reduction in the catalytic properties of the nanoparticles or poor anchoring of the particles, followed by their subsequent loss. The main aim of this project is therefore to develop and optimize the synthesis of nanoparticles at the interface of gels, emulsions and polymer supports.