Design de Matériaux Poreux pour des Applications Électrochimiques

Abstract

Le développement de matériaux poreux est l'un des sujets de recherche les plus fascinants notamment grâce à ces nombreuses applications allant de l'analyse chimique à la séparation et la catalyse. Parmi l'énorme quantité de matériaux poreux différents, les métaux nanoporeux sont le meilleur choix en raison de leurs propriétés intrinsèques telles qu'une grande surface active, un grand volume de pores et une grande accessibilité moléculaire pour les molécules qui doivent diffuser au sein de la matrice où des sites catalytiquement actifs sont localisés. Afin de synthétiser de tels matériaux, une approche modèle est généralement utilisée pour générer des structures poreuses uniformes, y compris des modèles durs et mous, qui dépendent de la forme des modèles. Dans la présente thèse, l'élaboration de diverses électrodes métalliques poreuses via une approche de modèle souple et leurs applications potentielles dans le domaine de l'analyse énantiosélective, de la synthèse et de la séparation seront discutées. Plusieurs métaux à empreinte chirale seront présentés tels que le platine et le nickel dont la surface électroactive est significativement augmentée. Par la suite, ces métaux mésoporeux à empreinte chirale peuvent être utilisés pour améliorer les performances électrochimiques de différents systèmes allant de la synthèse électrochimique de composés chiraux à la séparation chirale ou encore l'actionnement, dont l’importance est grande pour des applications pharmaceutiques. La première partie du présent travail est consacrée à l'élaboration de métaux à empreinte chirale pour la synthèse asymétrique. Les surfaces actives du matériau d'électrode préparés présentent une sélectivité étonnamment élevée en terme de synthèse chirale lorsqu'elles sont combinées avec le concept d'électrochimie pulsée. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à l’utilisation de composés naturels énantiomériquement purs pour faciliter la séparation des deux énantiomères d'un mélange racémique en appliquant un potentiel à la matrice métallique afin de contrôler les interactions électrostatiques entre les composés chiraux et les surfaces d’intérêt. Dans les conditions les plus appropriées, une séparation complète des deux énantiomères peut être observée. La troisième partie de cette thèse porte sur la détection chirale pour laquelle un film hybride de Pt imprimé chiral et de polypyrrole est utilisé comme actionneur sélectif dans des conditions d’électrochimie bipolaire. Les propriétés synergiques des deux matériaux, l'activation sans fil et la reconnaissance chirale, ont été combinées avec succès pour l'analyse chirale sans fil. Outre la conception et l'application de films métalliques chiraux mésoporeux, le dernier chapitre démontre l'élaboration de métaux structurés hiérarchiquement contenant des caractéristiques macro et mésoporeuses, obtenus en utilisant simultanément des approches de modèles durs et mous pour l’électrocatalayse de l'oxygène en milieu basique. Des nanofeuilles de nickel multiporeuses ont été préparées via un processus d'électrodéposition en deux étapes en présence de billes de silice et de surfactant comme modèles pour contrôler respectivement la structure macro et mésoporeuse. L'effet synergique résultant des cavités macroporeuses et mésoporeuses combinées permet un réglage fin des propriétés structurelles, des performances électrocatalytiques et de la stabilité du matériau pour l’électrolyse de l’eau. En conclusion, nos résultats ouvrent des perspectives intéressantes pour le développement de nouveaux matériaux poreux qui présentent un intérêt potentiel pour diverses applications, telles que l'analyse chirale, la synthèse asymétrique, la séparation chimique, ainsi que la conversion et le stockage d'énergie.