La technique de photocatalyse solaire offre une solution prometteuse pour une élimination efficace des polluants pharmaceutiques émergents comme les antibiotiques dans les eaux usées. Les matériaux photocatalytiques à base de semi-conducteurs jouent un rôle crucial dans la dégradation complète de ces nouveaux polluants pharmaceutiques. À ce propos, de nouveaux photocatalyseurs nanocomposites ont montré une performance catalytique importante par rapport aux photocatalyseurs classiques dans la dégradation des antibiotiques dans l'eau. Ces photocatalyseurs nanocomposites surmontent des défis notamment une photo-absorption insuffisante, une mauvaise séparation de charge, un transfert de charge lent, une recombinaison de charge importante, une mauvaise réaction de surface, une stabilité faible et une récupération difficile. Dans ce contexte, nous avons développé des hybride matériaux photocatalytiques nanostructuré et nanocomposite tout en exploitant leur performance pour la dégradation des antibiotiques sous la lumière solaire. Un nouveau matériau de pérovskite ferroélectrique à base de bismuthate de calcium (CaBiO₃) nanostructuré avec une disproportion de différentes multicharges Bi³⁺ et Bi⁵⁺, a été développé via des méthodes de complexation de glycine et d'échange d'ions. La disproportion efficace obtenue de charge Bi³⁺/Bi⁵⁺ et l'arrangement bien organisé du cristal octaédrique de BiO₆ ont offert une photo-absorbance efficace du visible ainsi qu'une photogénération et une séparation importante de porteurs de charge dans CaBiO₃. En outre, les matériaux CaBiO₃ développés présentent une nanostructure avec une surface spécifique plus élevée qui offre des propriétés de surface améliorées en faveur de la réaction catalytique. De plus, les matériaux à base de CaBiO₃ sont étudiés pour la dégradation des antibiotiques de ciprofloxacine et de tétracycline sous la lumière solaire. Un nanocomposite efficace de BiVO₄-APS-C₆₀ a été développé en intégrant les nanoparticules C₆₀ fonctionnalisées par aminosilicate à la surface de nanocouches ultrafines de BiVO₄. L'intégration de C₆₀ sur BiVO₄ a élargi l'absorption de la lumière dans le domaine du visible et a également offert une génération et une séparation efficaces des porteurs de charge photo-induits. En fait, l'aminosilicate a établi une forte interaction interfaciale entre C₆₀ et BiVO₄, ce qui a fourni un transfert de charge efficace et une stabilité remarquable du composite BiVO₄-APS-C₆₀. Par conséquent, BiVO₄-APS-C₆₀ a montré une activité photocatalytique beaucoup plus élevée vis-à-vis la dégradation de ciprofloxacine sous irradiation solaire. Le nanocomposite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 a été développé par l'incorporation de NH₂-UiO-66 sur Bi₂WO₆ ayant une forme micro/nanoflorale dans le but d'améliorer l'activité photocatalytique pour la dégradation de ciprofloxacine sous l'irradiation de la lumière solaire. L'activité photocatalytique améliorée, expliquée par la formation d'une hétérojonction avec un fort contact interfacial entre Bi₂WO₆ et NH₂-UiO-66, a permis d'élargir le domaine d'absorption lumineuse, de réduire la recombinaison de paires électron-trou photo générées et d'accélérer le transfert des porteurs de charges. L'hétérojonction Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 suit le mécanisme de transfert de charge de type Z-schème et possède des sites hautement réactifs offrant une forte propriété redox au composite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66. / The solar photocatalytic technique is a promising solution for the effective removal of antibiotics, which are emerging pharmaceutical pollutants in water and wastewater. The semiconductor based photocatalytic materials plays crucial role in achieving the complete degradation of these pharmaceutical pollutants. In this direction, the design of nanostructured hybrid photocatalysts shows superior catalytic performance as compared to the conventional photocatalysts towards the effective degradation of antibiotic molecules in water. These nanostructured hybrid photocatalysts overcome the limitations of weak photoabsorption, poor charge separation, slow charge transfer, high charge recombination, limited surface reaction, lesser stability and difficult recovery. In this context, we have developed potential nanostructured and nanocomposite photocatalytic materials and explored their performance in degradation of antibiotics under solar light. Novel ferroelectric perovskite material, nanostructured calcium bismuthate (CaBiO₃) with distinct Bi³⁺ and Bi⁵⁺ multi-charge disproportion was developed via glycine-complexation and ion-exchange methods. The efficient Bi³⁺/Bi⁵⁺ charge disproportion and well-organized BiO₆ octahedral crystal arrangement provided an enhanced visible photo-absorbance and higher charge carrier generation and separation to CaBiO₃ system. The developed CaBiO₃ materials exhibited nanostructure with higher surface area which provided enhanced surface properties for catalytic reactions. Moreover, the developed CaBiO₃ materials were potentially explored for degradation of ciprofloxacin and tetracycline antibiotic drugs under solar light. An efficient BiVO₄-APS-C₆₀ nanocomposite was developed by integrating aminosilicate functionalized C₆₀ nanoparticles on the surface of ultrathin BiVO₄ nanolayers. The integration of C₆₀ on BiVO₄ broadened the light absorption spectrum in the visible light range and offered an enhanced generation and separation of the photoinduced charge carriers. The aminosilicate group established a strong interfacial interaction between C₆₀ and BiVO₄, which provided remarkable charge transfer efficiency and stability for BiVO₄-APS-C₆₀ composite. The as-synthesized BiVO₄-APS-C₆₀ displayed high photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 nanocomposite was designed incorporating NH₂-UiO-66 with Bi₂WO₆ micro/nanoflower for enhanced photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. The improved photocatalytic activity attributed to the formation of heterojunction with strong interface contact between Bi₂WO₆ and NH₂-UiO-66, broadened the photoabsorbance range, reduced photogenerated electron-hole pair recombination, and accelerated charge carrier transfer. The Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 heterojunction follows Z-scheme charge transfer mechanism with high surface reactive sites providing strong redox property to Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 composite.

Le processus de photocatalyse est l'un des moyens prometteurs d'utiliser l'énergie solaire à grande échelle pour différents types d'applications tels que la production d'hydrogène comme énergie propre ou encore la purification de l'eau et l'air contre les polluants et les produits chimiques nocifs. Néanmoins, le pourcentage de l’énergie du rayonnement solaire utilisé est généralement inférieur à 1%, en raison de la faible absorption de la lumière solair, de la rapide recombinaison de charge « électron-trou paires » et de l'instabilité photochimique. La modification de la structure des semi-conducteurs et la création de photocatalyseurs nanocomposites peuvent aider à surmonter ces problèmes. Le TiO2 est le photocatalyseur le plus étudié en raison de ses propriétés physiques et chimiques imortantes dans le processus de photocatalyse. Bien que son faible coût encourage à l'utiliser à grande échelle, sa largeur de bande interdite (EG =3.2 eV) importante, qui ne peut être activée que par irradiation UV, et sa vitesse de recombinaison des charges, ont limité son utilisation dans les applications industrielles. La création d'une hétérojonction entre TiO2 et d'autres semiconducteurs actifs sous la lumière visible est l’un des moyens les plus prometteurs pour utiliser les propriétés du dioxyde de titane dans la région du visible. De plus, le nitrure de carbone graphitique (g-C3N4) a été largement étudié pour la production d'hydrogène sous irradiation lumineuse visible. Malgré le fait qu'il peut être actif dans la région du visible et réduire les protons pour générer de l'hydrogène, son efficacité est considérablement limitée en raison de son taux de recombinaison de charge élevé et de sa faible surface spécifique. Nous avons synthétisé un photocatalyseur nanocomposite de g-C3N4 et TiO2 afin d’améliorer la procédure de séparation des charges et donc de produire plus d'hydrogène. Des nanodisques de titanate uniformes (TND) avec un diamètre compris entre 12 et 35 nm ont été synthétisés à l’aide d’une méthode solvothermale. Les feuilles nanométriques de g-C3N4 ont été synthétisés par des techniques de sonication, puis ont été mélangées avec des TND. Après cela, une étape de calcination a non seulement généré des contacts intimes avec deux semi-conducteurs, mais aussi converti les TND en nanoparticules de TiO2. En raison de la position des bandes de valence et de conduction des deux semi-conducteurs, les électrons photogénérés sont en mesure de passer du g-C3N4 au TiO2. Grâce à l’ajout de Pt comme cocatalyseur ainsi que comme fournisseur de sites actifs, les électrons photoexcités sont en capacité de réduire les protons de l'eau et de générer du dihydrogène. Cette hétérojonction pourrait produire plus du double l’hydrogène que le gC3N4 pur dans les mêmes conditions. Nous avons créé une nouvelle forme de feuille nanométrique de g-C3N4 contenant des lacunes de carbone avec des trous dans tous les plans de feuille. Après la synthèse du matériau de vrac g-C3N4 à partir du dicyandiamide, le matériau obtenu a été chauffé à 650 ° C sous argon pendant 2 h. Après avoir refroidi, il a été calciné à nouveau à 500 ºC pendant 2 heures sous air. Ainsi, sa surface spécifique a été considérablement augmenté de 28 m2.g-1 de g-C3N4 à 160 m2.g-1. En outre, ces traitements par étapes ont introduit certains défauts tels que des lacunes de carbone à l'intérieur de la structure des feuilles nanométriques de g-C3N4. Ces derniers ont fourni des sites photocatalytiques hautement actifs pour l'évolution de l'hydrogène. Par conséquent, sa production d'hydrogène est dix fois supérieure à celle du g-C3N4 brut sous irradiation de la lumière visible. Il a montré une efficacité quantique très élevée de 29,2% et 21,3% à 400 nm et 420 nm, respectivement. Enfin, nous avons généré une solution solide de zinc-cadmium (ZnxCd1-xS) par synthèse solvothermale en utilisant des précurseurs de glycérates métalliques de Cd et Zn. Ensuite, le matériau a été calciné (500 ºC pendant 4 heures) et traité avec H2S à 450 ºC pendant 2 heures. Ainsi, une solution solide homogène de ZnxCd1-xS avec structure cristallographique de wurtzite hexagonale a été formée. Il convient de mentionner que le semi-conducteur obtenu peut absorber une large partie du spectre visible, de plus, sa largeur de bande interdite est fortement affecté par le rapport Zn / Cd et varie entre 2,35 et 3,4 eV (0≤x≤1). Les meilleurs résultats pour l'évolution de l'hydrogène ont été obtenus à partir de l'échantillon Zn30Cd70S avec dépôt de MoS2 comme cocatalyseur. Il peut générer de l'hydrogène dans des longueurs d'onde les plus longues de la région de la lumière visible et ses rendements quantiques sont : 46,6% à 400 nm à 23,4% à 500 nm ainsi que 11,3% à 550 nm. / Photocatalysis process is one of the promising ways to use solar energy in large scale for various kind of application including producing hydrogen as clean energy and purify water and air from harmful pollutants and chemicals. Nevertheless, the solar conversion efficiency of photocatalysts are usually below 1% because of weak sunlight absorption, high charge recombination and high photochemical instability. Modifying semiconductor structure and creating nanocomposite photocatalyst can help to overcome these issues. TiO2 is the most well-known photocatalysts because of its physical and chemical properties in photocatalysis process. Although its low cost encourages people to utilize it in large scale, its large band gap, which can only be activated under UV irradiation, and high rate of charge recombination, limited its usage in industrial applications. Creating an heterojunction between TiO2 and others visible light active semiconductor, is one of the best way to take advantage of TiO2 in visible region. Furthermore, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has been widely investigated for its potential in hydrogen production under visible light irradiation. Despite the fact that it can activated in visible light region and reduce protons to generate hydrogen, its efficiency is considerably limited because of its high rate of charge recombination and low specific surface area. We synthesized a nanocomposite photocatalyst of g-C3N4 and TiO2 in order to increase charge separation procedure and so it can produce more hydrogen. Uniform titanate nanodisks (TNDs) with diameter between 12 and 35 nm were synthesized with a solvothermal method. Nanosheets of g-C3N4 were synthesized via sonication techniques and then were mixed with TNDs. After that, a calcination step not only made intimate contacts with two semiconductors, but also converted TNDs into TiO2 nanoparticles. Due to the position of conduction band edges of two semiconductors, photogenerated electrons could transfer from g-C3N4 to TiO2. There with a help of Pt as a cocatalyst and active sites provider, photoexcited electrons reduced protons from water and generated hydrogen. This heterojunction could produce more than double hydrogen as pristine g-C3N4 under the same conditions. We created a novel g-C3N4 nanosheets with carbon vacancies and nanoholes throughout nanosheet planes. After synthesis g-C3N4 bulk material from dicyandiamide, the obtained material was heated to 650 ºC under argon flow for 2 hr. After it cooled down, it was calcined again at 500 ºC for 2 hr. As a result, its specific surface area increased significantly from 28 m2 g-1 of bulk g-C3N4 to 160 m2 g-1. Moreover, these stepwise treatments introduced some defects as carbon vacancies inside the structure of g-C3N4 nanosheets. They provided highly active photocatalytic sites for hydrogen evolution. Therefore, its hydrogen production was ten times higher than bulk material of g-C3N4 under visible light irradiation. It showed very high quantum efficiencies of 29.2% and 21.3% at 400 nm and 420 nm, respectively. Finally, we generated zinc cadmium solid solution (ZnxCd1-xS) with synthesizing metal-glycerate of Cd and Zn via solvothermal method. Then, the material was calcined (500 ºC for 4 hr) and treated with H2S at 450 ºC for 2hr. Thus, an homogeneous solid solution of ZnxCd1-xS with hexagonal wurtzite crystal structure was formed. It should be mentioned that the obtained semiconductor could absorb a wide range of visible light energy and its band gap is strongly affected by Zn/Cd ratio and varies between 2.35 and 3.4 eV (0≤x≤1). The best results for hydrogen evolution was gained from Zn30Cd70S sample with depositing MoS2 as a cocatalyst. It could generate hydrogen in longer wavelengths of visible light region and its quantum efficiencies were: 46.6 % at 400 nm to 23.4% at 500 nm as well as 11.3% at 550 nm.

Thesis (MSc (Chemistry and Polymer Science))--University of Stellenbosch, 2009. / Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (Polymer Science) at University of Stellenbosch. / ENGLISH ABSTRACT: The preparation of poly(acrylonitrile/methyl acrylate) [poly(AN-co-MA)] copolymers and poly(AN-co-MA)/clay nanocomposites, via emulsion polymerization, their characterisation, and the relationships between their molecular structures and physical properties are described. The copolymer composition was varied, and the properties of the products were analysed and correlated to copolymer composition. The free volume properties of the copolymer were dependent on the glass transition temperature (Tg), which is dependant on the copolymer composition. The copolymer crystallinity decreased with increasing MA content. The decrease in crystallinity and increase in both o-Ps lifetime and o-Ps intensity with decreasing Tg was caused by the enhanced chain mobility brought about by the incorporation of methyl acrylate. The poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate)/clay nanocomposites with 60% AN:40% MA (mol:mol) ratio were prepared using montmorillonite clay modified via adsorption, using 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulphonic acid (AMPS), via in-situ intercalation polymerization. The poly(AN-co-MA)/clay nanocomposites with different clay loadings showed no difference in morphology. They exhibited improved thermomechanical properties and higher thermal stability than the neat copolymers. The melt rheology results of these nanocomposites showed an improved storage modulus as well as increased shear thinning behaviour with increasing clay content. However, the nanocomposites exhibited long-time relaxation behaviour and their chemical structures evolved during analysis. This was attributed to cyclisation reactions taking place at the temperature used during the oscillatory tests. The sorption isotherms of water vapour in these nanocomposites followed a dualmode sorption behaviour (BET type II mode). Hysteresis was observed in sorption/desorption isotherms of these nanocomposites. The equilibrium water uptake was higher in the nanocomposites compared to the neat copolymers, and it increased with increasing clay content, especially at high water activities (0.8). Although diffusion and permeability decreased with increasing clay content the solubility increased due to the hydrophilic nature of the clay. Despite the decrease in diffusion and permeability parameters the free volume hole radius of the nanocomposites remained constant, but a slight decrease in free volume hole number was observed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bereiding van poli(akrilonitriel/metielakrilaat) [poli(AN-ko-MA)] kopolimere en poli(AN-ko-MA)/klei nanosamestellings deur middel van emulsiepolimerisasie, hul karakterisering asook die ooreenkoms tussen hul molekulêre strukture en fisiese eienskappe is beskryf. Die kopolimeersamestelling is gevarieer, en eienskappe is geanaliseer en dan gekorreleer met die kopolimeersamestelling. Die vrye-volume eienskappe van die kopolimeer was afhanklik van die glasoorgangstemperatuur (Tg) wat weer afhanklik is van die kopolimeersamestealling. Die kristalliniteit van die kopolimeer het verminder met die hoeveelheid MA teenwoordig. Die afname in kristalliniteit en toename in beide die o-Ps leeftyd en o-Ps intensiteit met afname in Tg is veroorsaak deur die beter kettingbeweegbaarheid wat veroorsaak is deur die byvoeging van metielakrilaat. Die poli(akrilonitriel-ko-metielakrilaat)/klei nanosamestellings met 60% AN:40% MA (mol:mol) verhouding is berei deur die gebruik van montmorillonietklei, gemodifiseer deur die adsorpsie van 2-akrielamido-2-metiel-1-propaansulfoonsuur (AMPS) deur middel van 'n in-situ interkaleringspolimerisasie. Die poli(AN-ko-MA)/klei nanosamestellings het, ten spyte van die verskillende hoeveelhede klei wat gebruik is, geen verandering in morfologie getoon nie. Hulle het wel beter termodinamiese eienskappe en hoër termiese stabiliteit as die oorspronklike kopolimere getoon. Die smeltreologie resultate van hierdie nanosamestellings het ‘n beter stoormodulus getoon, sowel as toenemende skuifverdunningsgedrag met 'n verhoogde klei inhoud. Tog het die nanosamestellings lang tyd-ontspanningsgedrag getoon en die chemiese struktuur het verander tydens analise. Dit word toegeskryf aan die sikliese reaksies wat plaasvind by die temperatuur wat gebruik is tydens die ossillatoriese toetse. Die sorpsie isoterme van waterdamp in hierdie nanosamestellings het ‘n dubbel-styl sorpsiegedrag gevolg (BET tipe II styl). Histerese is waargeneem in sorpsie/desorpsie isoterme van hierdie nanosamestellings. Die ewewig in wateropname van die nanosamestellings was hoër as vir dié van die oorspronklike kopolimere en dit het toegeneem met 'n toenemende klei inhoud, veral by hoë humiditeit (0.8). Al het die diffusie en deurlaatbaarheid afgeneem met 'n toename in die klei inhoud, het die oplosbaarheid toegeneem as gevolg van die hidrofiliese karakter van die klei. Ten spyte van die afname in diffusie en deurlaatbaarheidsparameters, het die radius van die vryevolume openinge van die nanosamestellings konstant gebly, maar ‘n klein afname in die aantal vrye-volume openinge is gevind.

Pour comprendre les mécanismes microscopiques du renforcement dans les nanocomposites, nous avons mis en œuvre un système nanocomposite modèle composé de nanoparticules de silice incorporées dans une matrice du copolymère PMMA/PBuA. La formation des échantillons se fait par évaporation du solvant -l'eau- du système colloïdal mixte latex et silice. La structure de la charge peut être contrôlée par le pH et la fraction volumique de la silice. La combinaison de diffusion de neutrons aux petits angles et microscopie électronique à transmission nous a permis d'établir un diagramme de phases du nombre d'agrégation de la silice. Les tests mécaniques en traction uni-axiale sur des nanocomposites de structure définie nous ont donné accès à la relation entre la structure des charges et la rhéologie. L'augmentation du nombre d'agrégation moyen augmente le renforcement du module de Young, et mène à une rupture précoce des films. Un optimum entre fort renforcement et grande déformation avant rupture peut être trouvé en s'intéressant à l'énergie de rupture. Lorsque l'on s'intéresse à la structure des chaînes dans les nanocomposites, il faut créer le contraste moyen nul pour la silice en introduisant des chaînes deutériées D. Nous avons pu suivre l'interdiffusion des chaînes H et D durant le recuit dans deux systèmes. Pour suivre la dissolution des billes de latex dans le polymère fondu, nous avons mis en place une modélisation des données structurales. La présence de la silice limite la mobilité des chaînes dans les nanocomposites. / To improve the understanding of the reinforcement effect in nanocomposites, we have set up a model system made of a latex matrix (PMMA-PBuA copolymer) with incorporated nanosilica beads. The nanocomposite films are made by evaporating the aqueous solvent of mixture of silica/latex colloidal solutions. The structure of the network is well controlled by the pH and volume fraction of silica. We have established a phase diagram of the aggregation number of the silica by small angle neutron scattering and scanning electron microscopy. The rheological properties of silica-latex nanocomposites have been tested by uni-axial stress-strain isotherms and correlated to the silica structure. The increase of the average aggregation number reinforces the Young modulus and decreases the elongation at the breaking point. An optimum has been found by determining the energy needed until rupture. We have studied the chain structure in the nanocomposites by creatin g zero-average contrast conditions for the silica, using mixtures of D- and H-latex. The interdiffusion of the H and D chains during the annealing could be measured in two systems and intermediate structure modelled. The presence of the nanosilica particles reduces the mobility of the polymer chains.

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l’énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d’oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d’étude sont l’électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l’énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l’hydrogène, la réduction de l’oxygène et l’oxydation de l’eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d’azote, des bromates et la photodégradation d’un colorant textile toxique, l’Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus. / This thesis focuses on the synthesis of nanostructured composite materials based on polyoxometalates for energy conversion and applications to environmental problems. To achieve these goals, many new compounds of this family of molecular oxides were synthesized and were associated with different nature friendly matrices, in agreement with the main criteria of Green Chemistry. In the field of energy, the new catalysts have proved very effective in important but difficult to achieve reactions, such as producing hydrogen, oxygen reduction or water oxidation. Similarly, among applications to pollution problems, these nanomaterials have shown a strong electrocatalytic and photocatalytic activity for the reduction of nitrogen oxides, bromate and for the photodegradation of a toxic textile dye, Acid Orange 7. The performances of these new catalysts are comparable to those of the best known systems.

Ce projet contribue à développer la prochaine génération de nano-emballages en utilisant une approche plus sûre et éco-conçue avec des avantages directs à la fois pour l'environnement et la sécurité des consommateurs. Les emballages alimentaires constituent l’un des principaux secteurs d’applications des nanotechnologies avec des enjeux environnementaux prometteurs de substitution des pétro-plastiques par des bio-plastiques et de réduction des pertes et gaspillages alimentaires grâce à des emballages plus performants, de type actifs et intelligents. Dans le cas de matériaux nano-composites (matrice polymérique contenant des nano-particules) destinés au contact alimentaire, le risque majeur en terme de santé humaine est lié à leur impact sur la migration de composés indésirables de l’emballage vers l’aliment (stabilisants UV, antioxydants, plastifiants, etc) qui peuvent avoir des effets néfastes en fonction des doses et durées d’exposition. Ces interactions contenant/contenu sont soumises à une réglementation européenne dont l’objectif est la protection de la santé du consommateur en fixant des limites de migration spécifique pour tous les composés supposés entrer dans la composition des matériaux plastiques dédiés au contact alimentaire. Dans le cas des nanomatériaux, la présence de nanoparticules est susceptible de modifier les interactions entre le polymère et les additifs et par voie de conséquence leurs propriétés de transfert. Ainsi, la formalisation des phénomènes de migration de l’emballage vers l’aliment établie sur des matériaux plastiques ne contenant pas de nanoparticules ne peut pas être directement transposée au nano-matériaux. De plus la présence de ces nanoparticules peut profondément modifier l’éco-toxicité environnementale du système matrice- nanoparticule -additif.La présente étude vise à comprendre et contrôler l’impact des structures nanocomposites (matrice polymérique contenant des nano-particules) sur les propriétés de transport (diffusivité et solubilité) des nanoparticules et des additifs chimiques en condition d’usage. À cet égard, il est nécessaire de combler le déficit de connaissances dans a caractérisation de la structure 3D, des propriétés physico-chimique et des interactions aux interfaces entre nanoparticules et matrice dans les nanomatériaux. Devant la complexité du système étudié, la modélisation est indispensable pour représenter (simplifier sans pour autant perdre trop de connaissances) la structure 3D des nanomatériaux et simuler, reproduire puis prédire, l’évolution de leurs propriétés de transfert en fonction des paramètres structurels et en condition d’usage. La modélisation des transferts est également indispensable pour, dans une approche d’ingénierie inverse, éco-concevoir et dimensionner à façon des nano-emballages sûrs pour l’Homme et l’Environnement. Dans cette optique une démarche de modélisation multi-échelle des relations structure/propriétés de transfert de masse a été mise en place sur des matériaux nanocomposites ciblés choisis pour leur pertinence dans le domaine de l’emballage alimentaire. / The market of nanotechnologies is dominated by the food packaging area which amounts more than 20% of the total nanotechnologies market in 2015. However, the wide-scale use of nanomaterials raises important questions about environmental and safety issues that could hinder their development. In the case of plastics intended to be in contact with food, the risk of contamination concerns not only the nanoparticles but also all the chemical additives added during the material processing. The presence of nanoparticles is susceptible to modify the interactions between polymer and the additives with a possible change in their transport properties and therefore the food contamination.The present work aims at identifying the relationship between the structural characteristic and the transport properties (diffusivity and solubility) of nanoparticles and chemical additives incorporated in nanocomposites. In this regard, it is necessary to fill the gap of knowledge in 3D nanostructure characterization and a multi-scale modeling of mass transfer properties of nanocomposites in real usage conditions.In this way, polyethylene and nanoclay were selected based on the best compromise between real potential applications and the scientific knowledge previously published and eventually the nanocomposites were synthesized with LLDPE, Cloisite20 and a compatibilizer by melt intercalation method.The nanocomposite structure was characterized using TEM, X-ray nanotomography, TGA and XRD then submitted to migration tests undertaken in contact with different food simulants which represent various types of food (aqueous, acid, alcoholic) following the recommendation of the European regulation on the food contact material. To evaluate the positive or adverse effects of the nanomaterials on the contamination of the food by chemical additives which are usually incorporated with the plastic packaging, the virgin polymer and nanocomposite material were spiked with a mixture of the additives exhibiting various volatility, polarity and molecular weight. Then, the transport properties (i.e inertia) of nanocomposite structure was distinctively investigated on kinetic (apparent diffusion coefficient) and thermodynamic (partition coefficient) considerations.The results indicated that nanoclay addition in plastic materials favorably reduced the migration of additives by modifying both their diffusivity in the polymer and their partition between the polymer and the food simulant. However, while the partition coefficient of additives increases in nanocomposite in comparison to pure LLDPE for the samples in contact with all types of food simulants, the reduction of diffusion coefficient is significantly dependent on the nature of the food simulant in contact. Hence, it can be concluded that the major role in the migration of additives is not played by the imposed tortuosity path, but by the factors such as the affinity between the base polymer and simulants as well as the effects of simulants on swelling and crystallinity of the samples. Moreover, the effect of additive-related parameters and the structural parameters were assessed and put in perspective with their impact on the transport properties of nanostructures. Integrating the results of characterization and transfer properties led to an improved understanding of the influence of structure of nanocomposites on their mass transfer properties and therefore on the suitability of using them as food contact materials.

Les nanocomposites présentent des propriétés uniques dont l'origine est sujette à débat. Dans ce travail, nous cherchons à déterminer quel est l'impact de la morphologie de la charge et de son état de distribution sur les propriétés des matériaux. Pour cela, nous avons étendu un modèle théorique que nous résolvons numériquement.Nous avons étudié l'effet de la distribution des charges dans la matrice. Nous montrons qu'un état de distribution fortement hétérogène conduit à un renforcement plus important qui s'étend dans une plus large gamme de températures, mais augmente aussi la dissipation d'énergie. Ensuite, nous étudions l'effet de la structure des charges. Des particules parfaitement sphériques sont comparées à des agrégats fractals plus ou moins finement définis. Nous montrons que des objets finement définis peuvent s'imbriquer au sein de la matrice et conduisent à une augmentation du renfort et de la dissipation dans ces matériaux.Puis, nous étudions la réponse de nos systèmes lorsqu'ils sont soumis à une première élongation de forte amplitude. Nous montrons alors qu'un système hétérogène se plastifie localement progressivement au cours de la déformation alors qu'un système homogène présente une plastification catastrophique généralisée à partir d'une déformation critique. Enfin dans une dernière partie nous évaluons la possibilité d'étendre le modèle afin de simuler l'endommagement des nanocomposites. Nous introduisons pour cela un critère rupture local afin de prendre en compte l'endommagement du polymère entre les charges. Nous étudions ensuite comment se comportent les matériaux simulés en faisant varier la morphologie de la charge, son état de distribution et son taux.Ce travail constitue la première étude systématique de l'effet de la morphologie et de la distribution des charges sur les propriétés mécaniques des nanocomposites. Nous montrons que ces paramètres peu contrôlés sont pourtant des paramètres clés et peuvent servir à optimiser les propriétés d’usage d'un nanocomposite / Nano-filled elastomer composites are used in a very broad range of applications such as tires, damping materials and impact modifiers. The addition of nanoscale rigid particles in a polymer matrix induces nonlinear effects that are not yet fully understood far above the glass transition temperature of the pure matrix. A model of the reinforcement of nanocomposites based on the reduced mobility of the polymer confined between two spherical filler particles has been developed over the last ten years. In order to study the influence of the filler shape, structure, size, and dispersion state, we have extended the model were the morphology of the fillers is defined explicitly as spherical particles aggregated in the polymer matrix. The model is then solved by mesoscale numerical simulation in order to describe the mechanical properties of the nanocomposite. We study the mechanical response of nanocomposite filled with aggregates of different shapes and distribution state to deformations of various amplitudes in the reinforcement regime. We show that the mechanical behavior of nanocomposites strongly depends on the filler morphology and we propose that stress-relaxation mechanisms in the material are related to the disorder (particle size, aggregation number, distribution state) in the filler population. In a second part of this work, we study the mechanical response at larger amplitude in both a non-destructive and destructive regime. For that matter, the model has been extended in order to account for damaging of the polymer between filler particles.Our model opens the path for the development of systems with tailored properties by adjusting the fillers morphology and distribution.

FePt/B4C multilayer thin films are deposited on silicon substrates using magnetron sputtering with different B4C layer thickness. Experimental results suggest that the B4C layers effectively serve as spacers to separate the FePt layers, making the multilayer configuration stable even after film annealing at elevated temperatures. On the other hand, B and C are found to be incorporated into the FePt layer, which is responsible for the FePt grain growth confinement and grain separation, and eventually affects the properties of the composite film. Based on the experimental results of multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite thin films on Si substrate are synthesized, in which a record coercivity of 2200 Oe is achieved compared to similar system. The size uniformity of the FePt nanoparticles, the well-defined particle-particle separation, together with the good magnetic property and high temperature thermal stability of the overall composite film, make it a very promising candidate for the ultrahigh density magnetic storage media. / Functional nanostructures serve as the basic building blocks for nanodevices and significant efforts have been devoted to their morphology control and properties optimization. In present study, four functional nanostructures, i.e., FePt/B4C multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite film, Ga-doped ZnO nanowire arrays, and CdSe nanotube arrays are designed, synthesized and characterized in detail, in which the first two are expected to be prominent candidates for ultrahigh-density magnetic storage media while the later two have potential applications in solar energy conversion. / Semiconductor based one-dimensional nanostructures are investigated as promising building blocks for solar energy conversion devices. Two aspects are explored, aiming at increasing the energy conversion efficiency, i.e., facilitating electron transport and enhancing photon absorbing. In the first case, large area Ga-doped ZnO nanowire arrays are grown on transparent conducting substrate. Experimental results reveal the well-aligned array morphology and the uniform Ga concentration in these nanowires. In particular, direct I-V measurements performed on single nanowire-on-ITO substrate disclose its Ohmic contact with the conducting substrate and the significant conductivity improvement compared to undoped ZnO nanowire, In the second case, a novel synthesis strategy for nanotube arrays is developed and CdSe is used for demonstration, which material possessing more appropriate band gap as effective light harvester compared to that of materials for existing semiconductor nanotube arrays. The controllable tube wall thickness that can be increased until continuous CdSe porous network is obtained. The experimental results suggest a nanotube array formation mechanism that can be generally applied to a wide range of materials. / Zhou, Minjie = 功能纳米结构在磁性和能源方面的应用 / 周民杰. / Adviser: Li Quan. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 72-11, Section: B, page: . / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 91-100). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [201-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese. / Zhou, Minjie = Gong neng na mi jie gou zai ci xing he neng yuan fang mian de ying yong / Zhou Minjie.

Les nanoparticules de silice sont très largement étudiées pour les applications biomédicales. Elles permettent une facilité et une flexibilité de la synthèse des particules et une bio-toxicité limitée. Cette thèse a mené une grande diversité de résultats impliquant des nanomatériaux de silice. Premièrement, les propriétés physicochimiques et les propriétés de biodégradation de trois types de nanoparticules de silice structurées ont été étudiées dans un tampon, un milieu de culture et au contact de fibroblastes cutanés humains suggérant que les nanoparticules de silice doivent être principalement considérées comme dégradées par hydrolyse, et non biodégradé. Ensuite, des nanoparticules de silice multifonctionnelles constituées de nanoparticules de silice creuses et de nanoparticules de MnO2 ont été synthétisées. Ainsi le contrôle de la libération du médicament et la performance de l’imagerie de ces nanoplates ont été étudiées à partir de modèles 2D à 3D. Cette approche pourrait être utilisée pour une évaluation rapide de la bio-fonctionnalité des nanoparticules avant de mettre en place des expériences in vivo. En outre, un nouveau nanocomposite 3D à base de collagène utilisant des tiges de silice a été étudié et les relations entre la composition composite, la structure et les propriétés mécaniques, mettant en évidence le rôle clé des interactions collagène-silice. L'influence de ces paramètres sur l'adhésion et la prolifération des cellules fibroblastiques a également été étudiée. De plus, nous avons préparé et utilisé des nanobatonnêts de silice magnétiques pour contrôler l’orientation des particules dans le réseau de collagène grâce à un champ magnétique externe. Tous les résultats apportent de nouvelles connaissances sur la préparation et les propriétés des bionanocomposites et ouvrent la voie à des hydrogels multifonctionnels. / Silica nanoparticles, thanks to the great easy and adaptability of particle synthesis and limited biotoxicity, is very widely studied for biomedical applications. This thesis conducted a large diversity of investigations involving silica nanomaterials. Firstly, the physicochemical properties and biodegradation properties of three types of structured silica nanoparticles were studied in a buffer, a culture medium and in contact with human dermal fibroblasts that suggest that, under these conditions, the silica nanoparticles must be mainly considered as degraded by hydrolysis and not biodegraded. Then, multifunctional silica nanoparticles which are consist of hollow silica nanoparticles and MnO2 nanosheets were synthesized. And the control drug release and imaging performance of this nanoplatforms were studied from 2D to 3D models. This approach could be used for a rapid assessment of the biofunctionality of nanoparticles before setting up in vivo experiments. Furthermore, a new 3D collagen-based nanocomposites using silica rods were studied and the relationships between the composite composition, structure and mechanical properties, emphasizing the key role of collagen-silica interactions. The influence of these parameters on the adhesion and proliferation of fibroblast cells was also investigated. In addition, we prepared and used magnetic silica nanorods to control particle orientation within the collagen network thanks to an external magnetic field. All the results bring new insights on the preparation and properties of bionanocomposites and open the route to multifunctional hydrogels.

The goal of this work was to achieve a homogeneous morphology of carbon nanotubes in a polyimide matrix, characterize the resulting nanocomposite properties, and understand structure-property relationships. Melt-mixing was used as an effective method for dispersing multiwall nanotubes and carbon nanofibers in a phenylethynyl terminated imide resin where aggregation occurred only in particle-saturated systems. Particle network formation within the nanocomposites was studied using rheology and impedance spectroscopy; results showed that the electrical percolation threshold occurred at a lower particle loading than the rheological percolation threshold, consistent with the oligomer size in comparison to the distance for electrical conductivity (~5 nm). Thermomechanical analysis showed that the addition of nanoparticles enhanced the polyimide storage modulus and thermal behavior indicated that the nanoparticles restricted polymer motion to higher temperatures. A study of the cure mechanism of the oligomer with and without nanoparticles showed that the nanoparticles reduced the activation energy required for cure initiation while increasing the obtainable extent of cure at various isothermal temperatures. The work presented in this dissertation shows that an easy, time effective processing method can be used to homogeneously disperse nanoparticles in an imide oligomer, and the resulting nanocomposites exhibit enhanced properties. A business plan is also presented that reflects the market potential of this technology.