rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Dispersion réglée de nanoparticules métalliques sur les nanotubes de
carbone, à partir d’une compréhension de leurs interactions interfaciales
Chercheurs : Edward Sacher et Alain Rochefort
Collaborateurs : J.-P. Dodelet (INRS-ÉMT); M. José-Yacamán (U. Texas, Austin)
Étudiants : M.-A. Bostetter, B. Hennequin, S.-H. Sun, D.-Q. Yang et G.-X. Zhang
Contact : Edward Sacher; edward.sacher@polymtl.ca; www.polymtl.ca/recherche/rc/professeurs/details.php?noprof=147
Nous étudions les interactions interfaciales entre les nanoparticules métalliques et les nanotubes
de carbone pour les applications telles les piles à combustible, où les réactions qui produisent
le courant électrique se font à la surface de ces nanoparticules. Une forte interaction adhésive
empêche la diffusion des nanoparticules à travers la surface, et leur coalescence. Parce que les
CNTs sont non-réactifs, le lien covalent qui amène à une forte adhérence nécessite l’introduction
de groupements chimiques spécifiques auxquels les nanoparticules peuvent lier. Nous étudions
l’introduction de tels groupements par plusieurs techniques. Nos buts principaux sont le contrôle
de la densité surfacique et les dimensions des nanoparticules déposées.
Fabrication et caractérisation de nouveaux matériaux
Les cycles fusés qui composent la structure graphène de nanotubes
de carbone (CNTs) sont appelés un hydrocarbure alternant.
À part leurs bords, chaque atome est lié á trois autres;
les électrons liants qui restent forment un système d’orbitales
délocalisées. Un tel système est chimiquement non-réactif et
les nanoparticules (NPs) métalliques qui y sont déposées sont
faiblement liées par chevauchement d’orbitales [D.-Q. Yang
et coll., Appl. Surf. Sci. 165, 116 (2000)]. Les liens plus forts,
nécessaires pour fournir une bonne adhérence, doivent être
formés par l’introduction de groupements chimiques spécifiques
dans la structure graphène, accompli par les réactions
spécifiques peu sévères, réglées, reproductibles et bien caractérisées.
De telles réactions doivent causer un endommagement
minimal et introduire des groupements chimiques bien
distribués et à haute densité surfacique.
Le contrôle de telles réactions, à la nanoéchelle, dépend de
notre capacité de les caractériser. Notre groupe a déjà passé
huit ans au développement des techniques et à leur compréhension,
ce qui permet les telles caractérisations. Notre arsenal
inclut les instruments qui permettent les études chimique
et morphologique, à la nanoéchelle. Leur combinaison offre un
aperçu de la NP à la surface, ainsi que la chimie interfaciale.
Les techniques de fonctionnalisation explorées par ces méthodes
incluent le bombardement ionique, la gravure par plasma
réactif, la sonication aqueuse, l’oxydation par un mélange
des acides nitrique/sulfurique et les interactions p-p. Cette
dernière technique est particulièrement avantageuse parce
qu’aucun lien n’est formé avec le CNT et donc, il n’y a pas
d’endommagement. De plus, quand la fonctionnalité p-p réagit
avec les NPs métalliques, presque la surface entière des CNTs
est recouverte.
Un exemple de la fonctionnalisation p-p : un CNT recouvert totalement avec les
nanoparticules de < 2 nm après fonctionnalisation avec benzyle mercaptan.
Références
• “X-ray photoelectron spectroscopic analysis of Pt nanoparticles on highly
oriented pyrolytic graphite, using symmetric component line shapes”,
G.-X. Zhang, D.-Q. Yang et E. Sacher,
J. Phys. Chem. C 111, 565 (2007).
• “XPS demonstration of p-p interaction between benzyl mercaptan and
multiwalled carbon nanotubes and their use in the adhesion of Pt nanoparticles”,
D.-Q. Yang, B. Hennequin et E. Sacher,
Chem. Mater. 18, 5033 (2006).
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