Intercalation de dicarboxylates et d'acides aminés dans des hydroxydes doubles lamellaires

252 Pages·2017·9.81 MB·French

by  Jean Fahel

Intercalation de dicarboxylates et d’acides aminés dans
des hydroxydes doubles lamellaires: relation
composition-structure
Jean Fahel
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Jean Fahel. Intercalation de dicarboxylates et d’acides aminés dans des hydroxydes doubles lamel-
laires: relation composition-structure. Matériaux. Université de Lorraine, 2016. Français. ￿NNT:
2016LORR0139￿. ￿tel-01492970￿
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Université de Lorraine-Faculté des Sciences et Technologies
Ecole doctorale SESAMES

Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université de Lorraine
en Chimie

par
Jean FAHEL

Intercalation de dicarboxylates et d’acides aminés dans
des hydroxydes doubles lamellaires : relation
composition-structure

Soutenue publiquement le 26 octobre 2016 devant la commission d’examen

Membres du jury :
Président : Mme. Sabine BONNET Professeur, CRM2, Vandœuvre-lès-Nancy

Rapporteurs : M. Pierre RABU Directeur de Recherche, IPCMS, Strasbourg
M. Jean-Paul CORNARD Professeur, LASIR, Lille

Examinateurs : M. Stéphane SIFFERT Professeur, UCEIV, Dunkerque

Directeur de thèse M. Cédric CARTERET Professeur, LCPME, Villers-lès-Nancy
Co-directeur de thèse M. Erwan ANDRE Maître de conférences, LCPME, Villers -lès- Nancy
Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour l’Environnement (LCPME)
UMR 7564-CNRS-Université de Lorraine
405, rue de Vandoeuvre, 54600 Villers-Lès-Nancy

Remerciements
Ce travail a été effectué au sein du Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour
l’Environnement, LCPME (UMR 7564 CNRS-Université de Lorraine).

Je voudrais avant tout remercier Monsieur C. Carteret et Monsieur E. André, directeur et co-
directeur de thèse, respectivement, d’avoir dirigé ce travail de thèse le long de ces trois années. Leur
disponibilité, leurs compétences, leur aide constante, leurs précieux conseils de tout ordre, leur
exigence et leur investissement personnel dans la correction de ce manuscrit de thèse, m’ont permis
de mener à bien ce travail.

J’adresse mes plus vifs remerciements à tous les membres du jury,

Monsieur P. Rabu, directeur de recherche à l’IPCMS, Université de Strasbourg, et Monsieur J.P.
Cornard, professeur à l’Université de Lille, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant de juger ce
travail et d’en être les rapporteurs.

Madame S. Bonnet, professeur à l’Université de Lorraine, et Monsieur S. Siffert, professeur à
l’Université de Dunkerque, pour m’avoir fait l’honneur d’examiner et de juger ce travail.

Il est tout naturel également de remercier le directeur du LCPME, Monsieur A. Walcarius, pour
m’avoir laissé franchir les portes du laboratoire et qui a toujours manifesté une réelle sympathie à
mon égard.

Je tiens également à remercier tous les membres de mon équipe qui m’ont toujours soutenu et aidé
pendant toutes ces années et en particulier : l’animateur de l’équipe Monsieur C. Ruby pour sa
bienveillance, son aide précieuse et ses encouragements ainsi que le sauveur J. Grausem pour son
aide précieuse et renouvelée en spectroscopie et pour tous les problèmes techniques, en le
remerciant surtout pour le montage d’hydratation et pour son investissement personnel dans ce
projet. Je tiens à remercier également le super cool (futur) professeur M. Dossot et le mössbaueriste
M. Abdelmoula pour leurs conseils et leur aide précieuse.

Je souhaite également remercier la nouvelle technicienne Claire Genois pour les analyses ICP, sa
gentillesse (sauf quand elle est énervée), les pauses café et pour tous les bons moments qu’on a
partagé ensemble mais je lui rappelle que le Liban n’est pas en Afrique. Un grand merci aussi à
Romain, Aurélien, Grégory, Christelle Despas, et Marc Hebrant pour leur aide et leur gentillesse.
Je n’oublie pas non plus J. Bacharouche, à qui je souhaite de trouver un poste très prochainement et
S. El Kirat à qui je souhaite une pleine réussite dans son projet professionnel. Je remercie
également notre gardien et chef de cuisine J.P. Moulin pour sa gentillesse, ses tartes super
délicieuses et pour tous ses efforts pour mes expériences sous hydrogène malgré ses inquiétudes.

Je tiens également à remercier tous les doctorants et ex-doctorants que j’ai rencontré et qui ont tenu
une grande place pendant mes trois années de thèse. Je garde une pensée particulière pour Arnaud
mon compagnon de galère et de chicha, à qui je souhaite le meilleur pour l’avenir et surtout pour la
rédaction de sa thèse qui avance à grands pas. Une grand merci à ma super mamie Héla pour sa
gentillesse et son aide pour manger mes chocolats et éviter que je ne grossisse. Je lui souhaite aussi
une très bonne continuation et bon courage pour la fin de sa thèse.
Enfin, je remercie l’ensemble du personnel du Laboratoire, personne par personne, pour leur bonne
humeur. Je ne pense pas avoir besoin ici de les nommer, ils savent à quel point je leur en suis
reconnaissant.
Remerciements
Je remercie également Pierrick (IB) et Pascal (IJL) pour m’avoir initié à la diffraction des rayons X,
Gwendal pour la partie RMN et Asfaw (IJL) pour la partie FT-Raman. Ce fut un réel plaisir de
travailler à leurs cotés.

J’exprime également ma reconnaissance à ma famille qui m’a beaucoup manqué et surtout une
pensée particulière à ma mère pour qui je ne trouverai jamais les mots pour la remercier, car c’est
grâce à elle que je suis là où j’en suis aujourd’hui…

Encore quelques lignes pour remercier mes amis, qui m’ont fait profiter de bon moments de détente
et des soirées de folie.
Sommaire Général

Sommaire général

I
Sommaire Général

II
Sommaire Général
Introduction générale .................................................................................................. 1
Chapitre I : Synthèse bibliographique ...................................................................... 7
1. Introduction ................................................................................................................................ 9
2. Les hydroxydes doubles lamellaires ......................................................................................... 11
2.1. Historique de la découverte des HDLs ................................................................................ 11
2.2. Aspects structuraux des hydroxydes doubles lamellaires .................................................... 12
3. Méthodes de synthèse des HDLs .............................................................................................. 16
4. La chimie d’intercalation .......................................................................................................... 17
4.1. Intercalation d’anions dans les HDLs .................................................................................. 17
4.2. Facteurs affectant l’intercalation dans l’argile anionique .................................................... 18
4.2.1. Affinité de l’anion à intercaler et type d’anion primaire ............................................ 18
4.2.2. Concentration d’anion ................................................................................................ 20
4.2.3. Milieu d’échange ........................................................................................................ 20
4.2.4. pH du milieu réactionnel ............................................................................................ 21
4.2.5. Composition chimique du feuillet .............................................................................. 21
4.2.6. Température ................................................................................................................ 22
4.2.7. Temps de réaction ....................................................................................................... 22
5. Propriétés et domaines d’applications des HDLs ..................................................................... 22
5.1. Propriétés d’adsorption et d’échange anionique .................................................................. 23
5.2. Délamination / exfoliation ................................................................................................... 23
5.3. Propriétés des HDLs calcinés .............................................................................................. 24
5.4. Biocompatibilité des HDLs .................................................................................................. 25
6. Méthodes de caractérisation des HDLs .................................................................................... 27
6.1. Diffraction des rayons X ...................................................................................................... 27
6.2. Spectroscopie Vibrationnelle ............................................................................................... 30
7. Simulations DFT ....................................................................................................................... 36
7.1. Bibliographie ........................................................................................................................ 36
7.2. Précédents travaux de l’équipe ............................................................................................ 37
8. Références bibliographiques ..................................................................................................... 40

III
Sommaire Général
Chapitre II : Du minéral aux hybrides organo-minéraux..................................... 55
1. Introduction .............................................................................................................................. 57
2. Synthèse, caractérisation et modélisation du précurseur .......................................................... 60
2.1. Propriétés vibrationnelles des phases HDLs ........................................................................ 60
2.2. Propriétés structurales et composition des phases HDLs .................................................... 65
2.3. Isothermes d’adsorption d’eau ............................................................................................. 67
2.4. Modélisation quantique des phases HDLs ........................................................................... 69
3. Hybrides organo-minéraux ....................................................................................................... 77
3.1. Structure, composition et caractérisation des hybrides ........................................................ 77
3.1.1. Propriétés vibrationnelles des carboxylates en solution ............................................. 79
3.1.2. Propriétés structurales et vibrationnelles des phases hybrides ................................... 80
3.2. Effet de la charge du feuillet (ratio) ..................................................................................... 86
3.3. Effet de l’hydratation ........................................................................................................... 88
3.3.1. Dc@Mg Al ................................................................................................................. 88
2
3.3.2. Influence de la charge du feuillet (ratio) .................................................................. 102
4. Conclusion .............................................................................................................................. 109
5. Références Bibliographiques .................................................................................................. 110

IV