reacteur sol-gel avec micromelange rapide

REACTEUR SOL-GEL AVEC MICROMELANGE RAPIDE :
EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LA CROISSANCE DES SOLS
D’OXYDE DE TITANE
Benmami M.1, Fezoua A.1, Chhor K.1, Gaunand A2, Kanaev A.1
1
LIMHP/CNRS, Institut Galilée, Université Paris-Nord, 93420 Villetaneuse, France
benmami, fezoua, chhor, kanaev @limhp.univ-paris13.fr
2
CENERG/SCPI, ENSMP, 60 boulevard Saint-Michel 75006 Paris, France
[email protected]
La voie de synthèse sol-gel à partir du précurseur organométallique tetra-iso-propoxyde
de titane est caractérisée par une étape de nucléation rapide (t≈10-1 s) suivie de la croissance
lente des sols nanométriques (induction, t≈103-104 s) qui précédent l’observation visuelle du
précipité [1]. Les nuclei s’agrègent en structures quasi-linéaires de faible fractalité (Df≈1.4 à
T=20°C). Il a été démontré que les processus qui se produisent pendant l’étape initiale du
procédé conditionnent les propriétés des matériaux finaux. La maîtrise de cette étape permet
une éventuelle application en dépôts chimiques des particules d’oxyde de titane de taille
nanométrique sur des surfaces complexes.
Le réacteur sol-gel à micromélange rapide, température contrôlée et mesures
granulométriques in situ à l’aide d’une sonde à fibres optiques a été développé pour cet
objectif [2,3]. Il permet une bonne reproductibilité des cinétiques réactionnelles et l’obtention
d’une population monodisperse de nuclei de taille de 4.0 nm. A partir des conclusions de
Soloviev [1], un modèle théorique, permettant une solution analytique, a été développé,
décrivant la croissance par agrégation des sols d’oxyde de titane pendant la période
d’induction.
Cette communication rapporte l’effet de la température (T∈0-40°C) sur la cinétique de
croissance et la morphologie des sols d’oxyde de titane dans le réacteur sol-gel [4]. Les
expériences montrent que la vitesse d’agrégation croît avec la température. L’énergie
d’activation des réactions secondaires de l’hydrolyse-condensation des groupes surfaciques
est estimée à Ea=32.1±2.3 kJ/mol. La dimension fractale des particules diminue avec la
température de 1.5 à 5°C à 1.1 à 30°C. Pour conforter les mesures cinétiques, des calculs
numériques ont été effectués en prenant en compte explicitement la dimension fractale des
sols. Ils donnent la solution du bilan de population pour différentes expressions du noyau
d’agglomération réactionnel proposées dans la littérature. Les résultats de ces calculs sont
comparés avec ceux du modèle analytique précédemment utilisé.
Actuellement, ce réacteur est utilisé pour déposer des sols nanométriques en
monocouche sur différentes surfaces (billes, tissus). La présence du dépôt chimique est
vérifiée par une méthode de solubilisation dans l’acide sulfurique. Les tests effectués à l’aide
d’un réacteur photocatalytique montrent une activité des dépôts obtenus sans aucun traitement
thermique préalable.
[1] Soloviev A. 2000, Procédé sol-gel : Etude par diffusion de la lumière de la cinétique de croissance des
particules pendant l’hydrolyse-condensation de l’isopropoxyde de titane (IV), Thèse de l’Université Paris-13,
Villetaneuse, France.
[2] Rivallin M. 2003, Evolution de sols nanométriques d’oxyde de titane durant l’induction d’une précipitation
de type Sol-Gel en réacteur à mélangeur rapide : Mesures granulométriques in-situ et modélisation, Thèse de
l’Ecole des Mines de Paris, France.
[3] M. Rivallin, M. Benmami, A. Kanaev, A. Gaunand, Sol-gel reactor with rapid micromixing: modelling and
measurements of titanium oxide nano-particles growth, Chemical Engineering Research & Design, (2004).
[4] M. Rivallin, M. Benmami, A. Gaunand, A. Kanaev, Temperature dependence of the titanium oxide sols
precipitation kinetics in the sol-gel process, Chem. Phys. Lett. (2004).