Influence de la concentration en tensioactif dans l’acide et du rapport molaire tensioactif/précurseur

Nous nous sommes ensuite intéressés à l’effet de la concentration de tensioactif dans l’acide chlorhydrique et du rapport tensioactif/isopropoxyde de titane (R’) sur l’organisation des mésopores. Dans ce cadre, les matériaux ont été préparés à partir du copolymère tribloc P123. Le diagramme de phase du système P123/eau/éthanol est présenté sur la Figure 15. Pour de faibles concentrations en P123 dans l’eau (<27%), un domaine micellaire direct s’étend au fur et à mesure de l’ajout d’éthanol. Pour des concentrations en P123 dans l’eau supérieures à 27%, des phases cristal liquide cubique, hexagonale et lamellaire apparaissent progressivement. Ces domaines se réduisent avec l’ajout d’éthanol.

Les résultats obtenus avec les matériaux silicatés ont montré qu’avec le mécanisme LCT, la concentration en tensioactif dans l’eau est un facteur déterminant pour l’obtention de matériaux mésoporeux organisés. En effet, les mésostructures silicatées sont obtenues uniquement lorsque cette concentration correspond au domaine de cristaux liquides (cf. Chapitre III). Dans le cas des matériaux à base de TiO₂, la grande réactivité de l’alcoxyde de titane ne permet pas d’utiliser les cristaux liquides formés avec l’eau et le tensioactif. Les cristaux liquides doivent être formés avec une solution d’HCl concentrée, car une forte teneur en acide permet de bloquer le processus de polymérisation. Nous avons vérifié que le domaine de cristal liquide n’est pas modifié en milieu acide. Les matériaux ont donc été élaborés pour des concentrations en tensioactif dans une solution d’HCl (12M) comprises entre 28,5 et 66,6% afin de couvrir entièrement les domaines cristal liquide cubique et hexagonal du système P123/eau (Figure 15).

Figure 15 :Diagramme de phase partiel du système P123/eau/éthanol à 23°C d’après

Gibaud et al.^[139]

Chapitre V – Préparation de films minces et de matériaux mésoporeux organisés à base de TiO2

déterminant pour l’obtention de mésostructures organisées. Celle-ci doit être suffisante pour recouvrir les cristaux liquides sans toutefois conduire à la polymérisation anarchique des espèces inorganiques. Dans le cadre de ce travail, le rapport molaire P123/Ti(Oipr)₄ (R’) est pris entre 0,049 et 0,012.

Les oxydes de titane ont été synthétisés, puis caractérisés par SAXS. L’analyse des résultats a été réalisée en fonction de la qualité de l’arrangement des mésopores selon le classement suivant : non structuré, vermiforme, HMS et organisation hexagonale. L’ensemble des résultats a ensuite été compilé afin de déterminer le profil d’évolution de la mésostructure en fonction des quantités d’acide et de titane ajoutées et d’en déduire si possible des tendances (Figure 16).

Les matériaux préparés pour R’>0,0245 sont peu ou pas ordonnés, quelle que soit la quantité d’acide ajoutée. Lorsque la quantité de Ti(Oipr)4 augmente, les matériaux adoptent progressivement des structures vermiformes, puis organisées. La meilleure structuration est atteinte pour un rapport R’=0,015 à l’exception du matériau préparé avec 28,5% en masse de tensioactif dans l’acide. Si le rapport R’ est inférieur à 0,015, les matériaux présentent une structure de type HMS. Les matériaux présentant la meilleure organisation sont obtenus lorsque la concentration en tensioactif dans la solution acide est faible. On note également que les synthèses conduisent uniquement à la formation de matériaux ayant une organisation hexagonale des mésopores, aucune structure cubique n’a été détectée.

30 40 50 60 0,02 0,03 0,04 R' % ^m a^s s^iq u^e P 1² 3 ^d aⁿ s ^H C^l 0,6875 1,375 2,063 2,750 3,438 4,125 4,813 5,500

Figure 16 :Evolution de la structure des matériaux en fonction du pourcentage de P123 dans HCl (12M) et de R’

non structuré vermiforme HMS

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Les diffractogrammes SAXS, des matériaux préparés avec différentes concentrations massiques en tensioactif et R’=0,016, sont présentés sur la Figure 17. Le spectre du matériau préparé à partir de 66% de P123 dans l’acide présente un pic caractéristique d’une structure vermiforme. Lorsque la concentration de P123 diminue, les diffractogrammes présentent des raies secondaires, caractéristiques d’un arrangement hexagonal des canaux, dont l’intensité augmente légèrement. Ces résultats suggèrent que la qualité de la structure est améliorée lorsque la concentration en tensioactif dans la solution acide diminue. La distance de Bragg, déterminée à partir de la raie 100, augmente de 8,7 nm à 13,7 nm au fur et à mesure que la teneur en P123 diminue ; ce qui correspond à un gonflement des cristaux liquides par la solution d’acide. En effet, lorsque la teneur en eau augmente dans les cristaux liquides, l’épaisseur du film d’eau qui sépare les cylindres de tensioactif augmente également.

0,1 0,2 0,3 28 % 33 % 40 % 50 % in te n s it é ( u . a .) q (Å^-1) 8,7 nm 10,0 nm 10,7 nm 12,1 nm 13,7nm 66 %

Figure 17 :Evolution des diffractogrammes SAXS des matériaux en fonction du pourcentage de P123 dans HCl (12M) pour R’=0,016

Les diffractogrammes SAXS des matériaux préparés avec 40% de P123 en masse dans l’acide pour différents rapports molaires P123/Ti(OiPr)4 sont présentés sur la Figure 18. Le diffractogramme du matériau préparé pour R’=0,05 ne présente aucune raie et par conséquent aucune organisation. Lorsque R’ diminue, les canaux adoptent progressivement un arrangement vermiforme, puis une organisation hexagonale lorsque R’ vaut 0,016. Au-delà, l’arrangement est de type HMS ou MSU. La distance de Bragg diminue lorsque que la

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quantité de titane ajoutée augmente, de 11,9 à 10,1 nm avec R’ variant de 0,024 à 0,012. Les résultats sont en accord avec les travaux de la littérature. Par exemple, Hung et al. ont préparé des matériaux mésoporeux vermiformes à base de TiO₂ en utilisant P123 comme agent structurant et le tétrabutoxyde de titane (TBOT) comme source de titane. Les auteurs reportent que les matériaux présentent des structures vermiformes uniquement pour une gamme de R’ comprises entre 0,013 et 0,025^[140].

0,1 0,2 0,3 in te n s it é ( u . a .) q (Å^-1) R'=0,012 R'=0,016 R'=0,024 R'=0,33 R'=0,049 R'=0,019 R'=0,014 10,1 nm 10,2 10,4 11,4 11,9

Figure 18 :Evolution des diffractogrammes SAXS des matériaux en fonction de R’ pour un pourcentage massique de P123 dans l’acide de 40%

Dans notre cas, l’arrangement hexagonal a été confirmé par microscopie électronique à transmission. La Figure 19a présente un cliché MET qui correspond à la coupe transversale d’un échantillon préparé pour une concentration en tensioactif dans la solution acide de 33% et pour R’=0,02 qui montre le réseau poreux hexagonal. La Figure 19b montre un cliché correspondant à la coupe longitudinale du même échantillon qui met en évidence l’enchaînement régulier des canaux.

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50 nm

b

50 nm

a

Figure 19 :Micrographies MET d’un échantillon de TiO2 après lavage à l’éthanol (a) coupe transversale (b) coupe longitudinale

La microscopie électronique à balayage a également permis de mettre en évidence le réseau poreux hexagonal. La coupe transversale visualisée sur la Figure 20a montre le réseau de pores en « nid d’abeilles » du matériau préparé à partir d’une concentration de P123 de 33% dans la solution acide pour un rapport R’=0,02, tandis que la coupe longitudinale Figure

20b montre l’alignement des canaux.

50 nm

a

50 nm

b

Figure 20 :Micrographies MEB d’un échantillon de TiO₂ après lavage à l’éthanol (a) coupe transversale (b) coupe longitudinale