Synthèse hydrothermale des nanofils de cuivre

La synthèse hydrothermale a été mise en œuvre initialement par Shi et al. en 2005

[228]. Le principe de la réaction reste le même que la synthèse précédente :

En 2010, Konya et al. a rajouté un troisième réactif, le dextrose, l’objectif de ce second

réducteur étant d’augmenter la quantité de cuivre réduit en solution [229]. Le protocole

que nous avons utilisé est tiré de cette réaction. On en a optimisé les différents paramètres

dans une étude paramétrique.

Étude paramétrique de la synthèse hydrothermale des nanofils de cuivre

La synthèse hydrothermale des nanofils de cuivre a dû être ajustée afin d’obtenir les

performances actuelles. Différents paramètres ont été pris en compte : la température de

la synthèse, le choix de l’alkylamine, la durée de la synthèse et les quantités de réactifs.

Choix de l’alkylamine

L’équipe de Moon [118] a travaillé sur le rôle de l’alkylamine qui va servir de réducteur

et d’agent encapsulant. On veut déterminer l’impact de la longueur de la chaine alkyle

sur la synthèse de CuNF. Le groupement NH

2

, par sa nature nucléophile, réduit les ions

cuivriques. De plus, la longue chaine aliphatique de l’amine avec 18 carbones pour l’ODA

et 16 carbones pour l’hexadécylamine (HDA) occasionne de la gêne stérique dans la

crois-sance longitudinale des nanofils. Les paramètres suivants ont été choisis :

— 4 amines (52 mmol d’HDA ou d’ODA)

— 1 CuCl

2

(13 mmol)

— 1 dextrose (13 mmol)

— 80 mL d’eau déionisée

— température de synthèse égale à 120

◦

C

— durée de la synthèse égale à 48 heures

Avec ces paramètres, la synthèse réalisée contenant de l’ODA a permis de réaliser des

nanofils avec une quantité de nanoparticules relativement faible. Par contre, dans le cas

DE CUIVRE

de la synthèse avec de l’HDA, le nombre de nanoparticules a augmenté. Les clichés MEB

ci-dessous montrent l’augmentation du nombre de nanoparticules présentes dans le milieu :

Figure 2.6 – Clichés MEB montrant à gauche une synthèse réalisée avec de

l’hexadécyla-mine et à droite une synthèse réalisée avec de l’octadécylal’hexadécyla-mine dans les mêmes conditions

Ainsi le réducteur/encapsulant retenu pour la synthèse de nanofils de cuivre est

l’octa-décylamine. L’équipe de Moon obtient moins de NP avec l’HDA et explique ce phénomène

par leur solubilité dans l’eau. Il pense que moins d’amine est dissoute avec l’ODA et qu’un

taux d’amine fort permet de diminuer le nombre de nanoobjets [118]. Cependant, on

ob-serve le phénomène inverse. Dans notre protocole, l’ODA est dissoute en plaçant l’émulsion

pendant 45 minutes dans un bain ultrasonique, ce qui nous affranchit du problème de

dis-solution des réactifs. On observe à disdis-solution égale que l’octadécylamine forme moins de

nanoparticules que l’hexadécylamine.

L’impact du ratio amine/cuivre

L’amine que nous avons retenue est ainsi l’ODA. Par la suite, les ratios molaires 4 :1,

3 :1 et 2 :1 entre l’octadécylamine et le chlorure de cuivre ont été testés. L’objectif est de

déterminer quelle est la quantité d’amine qui permet d’obtenir la plus grande quantité de

CuNF. Nous avons réalisé des clichés MEB des produits obtenus avec les différents ratios

(Figure 2.7).

Figure 2.7 – Clichés MEB avec des ratios molaires respectifs entre l’ODA et le chlorure

de cuivre de 2 :1, 3 :1 et 4 :1

Les résultats montrent que le nombre de nanoparticules diminue en même temps que la

quantité d’amine. Dans le paragraphe précédent, on montre qu’une quantité suffisante est

BASE DE CUNF

essentielle à la formation de nanofils et pour éviter celle de nanoparticules. Avec un ratio

de 4 :1, l’amine présente dans le milieu est en excès. Cela permet de passiver la partie

radiale du nanofil et ainsi de favoriser la croissance longitudinale. Lorsque la quantité

d’amine n’est pas suffisante, le dextrose réduit rapidement les ions Cu

2+

en solution et

on obtient des nanoparticules. Ainsi on a choisi le rapport molaire 4 :1 qui introduit un

excès d’amine en solution et limite le nombre de nanoparticules.

L’impact de la quantité de réducteur

D’après la littérature [229], l’apport du dextrose permet la réduction d’une quantité de

cuivre plus importante. Le rapport molaire qui est retenu est celui de 1 :1 avec le sel

de cuivre. En dessous de cette quantité le rendement diminue fortement, et au-dessus

de ce rapport molaire, la trop grande quantité de réducteur engendre la formation de

nombreuses NP [229].

L’impact de la durée de la synthèse

Nous avons testé trois durées de synthèse (24h, 48h et 140h) avec les paramètres suivants :

— 4 ODA (1121 mg)

— 1 CuCl

2

(139.4 mg)

— 1 Dextrose (187.2 mg)

— 80 mL d’eau déionisée

— Une température de synthèse égale à 160

◦

C

La synthèse avec la durée la plus courte est celle qui ne permet pas d’extraire des nanofils

de cuivre. En effet, lorsque cette synthèse est réalisée, il n’y a pas de dépôt rouge au fond

de l’enveloppe en Téflon. Lorsqu’on en augmente la durée, ce dépôt cuivré au fond de

l’enveloppe apparait et de plus en plus de fils peuvent être collectés. Par contre, lorsque

la durée excède 48 heures, les nanofils au fond de l’enveloppe en Téflon forment des

amas, ces produits ne pourront pas être utilisés dans la fabrication d’électrodes flexibles

transparentes. De plus, la probabilité d’obtenir ces agglomérats augmente avec le temps

car les nanofils sédimentent dans l’enveloppe ce qui augmente les contacts entre nanofils.

La réaction est donc réalisée en 48 heures.

L’impact de la température

Nous avons testé trois températures de synthèse (120

◦

C, 160

◦

C et 170

◦

C) avec les

paramètres suivants :

— 4 ODA (1121 mg)

— 1 CuCl

2

(139.4 mg)

— 1 Dextrose (187.2 mg)

— Une durée de synthèse égale à 48 heures

Les images MEB des différentes solutions ont été prises (Figure 2.8) afin d’évaluer les

produits qui ont été formés.

DE CUIVRE

Figure 2.8 – Images MEB de nanofils de cuivre avec des températures de synthèse

respectives de 120

◦

C, 160

◦

C et 170

◦

C

Les objets extraits montrent que le nombre de nanofils augmente en sortie de synthèse.

À 120

◦

C, le nombre de nanoparticules est élevé, et diminue lorsque la température

aug-mente. Cependant, à 170

◦

C, les nanofils forment des fagots qui ne se dispersent pas en

solution. La température qu’on retient est 160

◦

C car elle permet d’obtenir le plus grand

nombre de nanofils de cuivre tout en limitant le plus le nombre de fagots de nanofils.

Dans le document Nouveaux nanomatériaux pour la fabrication d'électrodes flexibles transparentes (Page 73-76)