CHAPITRE II : PARTIE EXPÉRIMENTALE
II.2. Synthèse des matériaux
II.2.1. Synthèse de matériaux carbonés
II.2.1.1. Synthèse de l’oxyde de graphite
Le graphène a été utilisé comme support des oxydes de métaux de transition, car il présente une meilleure stabilité, face au carbone Vulcan couramment utilisé. Cela est dû à son haut degré de graphitisation. Dans la littérature, différents protocoles de synthèse d’oxyde de graphite ont émergé durant ces 10 dernières années.
CHAPITRE II : PARTIE EXPÉRIMENTALE
44 L’oxyde de graphite a été synthétisé à partir de 3 g d’une poudre commerciale de graphite (taille de particules < 20 m, Acros Organics), en employant la méthode décrite par Hummers et coll. [163]. La poudre de graphite est mise en suspension dans 70 mL d’une solution d’acide sulfurique H2SO4 (96 %, VWR) par agitation mécanique. Une quantité de nitrate de sodium (NaNO3, 90 %, Acros Organics) de 1,50 g est alors ajoutée au mélange réactionnel qui est par la suite refroidi à 0 °C dans un bain contenant un mélange eau-glace. Une quantité de 9 g de permanganate de potassium (KMnO4, ≥ 99 %, Sigma Aldrich) est ajoutée lentement, en maintenant la température du mélange réactionnel à 0 °C, ce qui permet la formation de l’heptoxyde de manganèse (Mn2O7), un liquide vert. L’oxydation de la poudre de graphite par cet oxydant puissant a alors lieu, permettant ainsi le greffage de groupements chimiques oxygénés à la surface des feuillets de graphène constituant la structure graphitique. Le mélange est alors laissé à la température de 40 °C pendant 30 min. Le mélange réactionnel, de couleur marron, est ensuite hydrolysé à l’aide de 140 mL d’eau, puis laissé à la température de 98 °C pendant 15 min. Après refroidissement, un ajout de 420 mL d’eau supplémentaire est suivi de celui de 3 mL d’une solution de peroxyde d’hydrogène (H2O2, 30 %, VWR). La suspension est finalement centrifugée à 6037 g pendant 5 min puis, après élimination du surnageant, le solide présent dans le culot du tube de centrifugation est mis en suspension dans de l’acide chlorhydrique (HCl, 37 %, VWR) avant d’être centrifugé à 6037 g. Le surnageant est de nouveau éliminé et le solide, mis en suspension dans de l’eau ultra-pure, avant d’être à nouveau centrifugé à 6037 g. La procédure de lavage précédemment décrite est répétée trois fois. L’oxyde de graphite ainsi obtenu est finalement séché à l’étuve à 60 °C pendant 12 heures.
II.2.1.2.Synthèse de l’oxyde de graphène (GO)
L’oxyde de graphite préalablement synthétisé est ensuite mis en suspension dans de l’eau ultra-pure, à une concentration de 1 mg.mL-1. La suspension est alors placée dans un bain aux ultrasons pendant deux heures, afin d’obtenir l’oxyde de graphène par exfoliation de la structure carbonée.
II.2.1.3. Synthèse de l’oxyde de graphène réduit (RGO)
La réduction de l’oxyde de graphène consiste à ajouter 4,5 g de borohydrure de sodium (NaBH4, ≥ 96 %, Aldrich) à la suspension de GO préalablement obtenue. Le mélange est porté à 80 °C pendant 1 h, sous agitation continue.
45 Le produit est ensuite récupéré sur filtre Millipore
®
présentant une taille de pores de 0,22 μm, fourni par Fisher-Bioblock, puis rincé plusieurs fois à l’eau ultra-pure, et finalement séché à 40 °C pendant 12 h afin d’obtenir l’oxyde de graphène réduit.II.2.1.4. Synthèse de l’oxyde de graphène réduit dopé par des hétéroatomes d’azote (NRGO)
Ce matériau NRGO est obtenu par traitement chimique de l’oxyde de graphène synthétisé selon le protocole de Hummers. En effet, la réduction de l’oxyde de graphène et son dopage par les hétéroatomes se réalisent simultanément. La synthèse du NRGO est effectuée par voie solvothermale à l’aide d’un autoclave en acier muni d’un corps en téflon d’un volume total de 125 mL. Le taux de remplissage a été fixé à 60 % et le solvant utilisé est l’éthanol (≥ 99.8 %, Fluka). La concentration de la suspension en GO dans l’éthanol a été fixée à 0,35 mg. mL-1. À 2 mL de précurseur azoté utilisé, une solution d’ammoniaque (25 %, VWR) est alors ajoutée à la suspension. L’autoclave est alors laissé à 160 °C pendant 3 heures. Le produit final est obtenu après filtration sur filtre Millipore® 0,22 µm (Fisher), lavage à l’eau ultra-pure, puis séchage à l’étuve à 60 °C pendant 12 heures.
II.2.2. Synthèse de catalyseurs d’oxydes de métaux de transition supportés
II.2.2.1. Synthèse des cobaltites de cobalt supportés
Les oxydes de métaux de transition, Co3O4 supportés ont été synthétisés à l’aide d’une méthode solvothermale. Les supports utilisés sont des matériaux dérivés du graphène qui ont été préalablement synthétisés. Tout d’abord, le matériau carboné est mis en suspension dans l’éthanol (≥ 99.8 %, Fluka) à une concentration de 0,66 mg. mL-1. Cette suspension est alors homogénéisée sous ultrasons pendant 1 h. Un sel métallique Co(Ac)2 (≥ 98 %, Acros Organics) dont la masse dépend du taux de charge métallique souhaité est alors ajouté (voir Tableau II.1). Une solution ammoniacale d’un volume de 2 mL (25%, VWR) et 2 mL d’eau ultra-pure sont ajoutées au mélange réactionnel. Ce mélange est alors laissé sous agitation à 80 °C pendant 12 h. Après refroidissement, la suspension est versée dans le corps en téflon (volume de 125 mL) d’un autoclave en acier. Le taux de remplissage a été fixé à 60 %. Cet autoclave est ensuite laissé à 160 °C pendant 3 h. Le produit final est obtenu après récupération sur filtre Millipore® 0,22 µm (fourni par Fisher), lavage à l’eau ultra-pure, puis séchage à l’étuve à 60 °C pendant 12 heures.
CHAPITRE II : PARTIE EXPÉRIMENTALE
46
Tableau II.1 Quantité de précurseurs utilisée pour les synthèses de différents matériaux Co3O4/NRGO
Quantité en cobalt / % en masse m Co(Ac)2 / mg m RGO / mg 20 29,1 39,7 30 49,0 39,5 50 114,2 39,4 70 268,8 39,4
II.2.2.2. Synthèse de cobaltites de nickel supportées
Les cobaltites de nickel NiCo2O4 supportées ont été synthétisées par voie solvothermale, en présence d’un tensioactif polymère et d’un solvant réducteur. L’oxyde de graphène réduit (RGO), préalablement synthétisé, est mis en suspension dans 60 mL d’éthylène glycol (99,8 %, Sigma-Aldrich). La concentration en RGO est fixée à 1 mg mL-1. La suspension est laissée 1 heure dans un bain aux ultrasons. 80 mg de polyvinylpyrrolidone (PVP, ~10000 en masse, VWR) est ajouté, puis laissé 1 heure sous ultrasons. 1,20 g d’acétate de cobalt Co(Ac)2 (≥ 98 %, Acros Organics) et 0,60 g d’acétate de nickel Ni(Ac)2.4 H2O (99 %, Acros Organics) sont alors ajoutés au mélange réactionnel. Celui-ci est laissé sous agitation pendant 3 heures ; la couleur est alors rouge sang. Pour un dopage du support aux hétéroatomes d’azote, une solution ammoniacale (4 mL) est alors ajoutée, ce qui conduit à un changement de couleur, passage du rouge au marron Le mélange est finalement centrifugé à 13584 g pendant 5 min puis, après élimination du surnageant, le solide présent dans le culot du tube de centrifugation est mis en suspension dans une solution 1 mol.L-1 de carbonate de sodium (Na2CO3, ≥ 99,0 %, Sigma-Aldrich) avant d’être centrifugé à 13584 g. Le surnageant est de nouveau éliminé et le solide est mis en suspension dans de l’eau ultra-pure, avant d’être de nouveau centrifugé à 13584 g. La procédure de lavage précédemment décrite est répétée trois fois. Le produit ainsi obtenu est finalement séché à l’étuve à 60 °C pendant 12 heures. Le solide gris obtenu est finalement calciné à 350 °C sous air pendant 3 heures, avec une rampe de de température de 50 °C min-1.