Nanocompósitos entre nanotubos de carbono e nanopartículas de platina: preparação, caracterização e aplicação em eletro-oxidação de álcoois

The synthesis and characterization of different platinum nanoparticle/carbon nanotube nanocomposite samples are described along with the application of these nanocomposites as electrocatalysts for alcohol oxidation. Samples were prepared by a biphasic system in which platinum nanoparticles (Pt-NPs) are synthesized in situ in contact with a carbon nanotube (CNT) dispersion. Variables including platinum precursor/CNT ratio, previous chemical treatment of carbon nanotubes, and presence or absence of a capping agent were evaluated and correlated with the characteristic of the synthesized materials. Samples were characterized by Raman spectroscopy, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and transmission electron microscopy. Glassy carbon electrodes were modified by the nanocomposite samples and evaluated as electrocatalysts for alcohol oxidation. Current densities of 56.1 and 79.8/104.7 mA cm-2 were determined for the oxidation of methanol and ethanol, respectively.

Hiilinanojohteiden makroskooppinen johtavuus

Hiilinanojohteet ovat sähkönjohteita, joiden valmistuksessa on käytetty hiilinanoputkia, eli yhden atomikerroksen paksuisesta hiiliatomiverkosta koostuvia rakenteita. Hiilinanoputket ovat viime vuosina keränneet suurta mielenkiintoa erinomaisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta. Tämän työn tavoitteena on selvittää, voitaisiinko hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus saada riittävälle tasolle, jotta niillä saatettaisiin korvata nykyisiä kuparista valmistettuja johteita. Vaikka kuparilla on erinomainen johtavuus, sen käytöllä on omat heikkoutensa, kuten korkea hinta, virran ahtautuminen, suuri tiheys ja heikko mekaaninen kestävyys. Hiilinanojohteet voisivat olla yksi osa-alue kehitettäessä uusia energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä laitteita nyky-yhteiskunnan tarpeisiin. Työn tulosten perusteella voidaan todeta, että nykyisten hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus on yhä liian pieni laajamittaiseen käyttöön. Johtavuus on kuitenkin lisääntynyt jatkuvasti viime vuosina. Kehitystyön avulla hiilimateriaalin potentiaalia saadaan hyödynnettyä koko ajan enemmän, ja ajan myötä hiilijohteista voi tulla varteenotettava kilpailija perinteisille johdemateriaaleille. Hiilinanojohteet tulevat luultavasti aluksi yleistymään käyttökohteissa, joissa niiden muut ominaisuudet täydentävät hyvin sähkönjohtavuutta.

Fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone : propriétés, réversibilité et applications dans le domaine de l'électronique

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Étude de films de nanotubes de carbone dans le domaine de fréquences térahertz : propriété antiréfléchissante

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Stress Relaxation of Polyester Fiber-Polyurethane Elastomer Composite with Different Interfacial Bonding Agents

The stress relaxation behavior of polyurethane elastomer and short polyester fiber filled elastomer composites with and without bonding agents at different strain levels and strain rates was studied. It was found that these compounds exhibit a multistage relaxation mechanism and that the rate of relaxation and cross-over time depend on the strain level and strain rate. The incorporation of fibers reduced the stage-I relaxation rate and increased the cross-over time of the gum vulcanisate. A higher rate of relaxation (first stage) was shown by the composites with longitudinal fiber orientation and composites with bonding agents.

Fabrication of Electrochemical Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Voltammetric sensors are an important class of electrochemical sensors in which the analytical information is obtained from the measurement of current obtained as a result of electrochemical oxidation/reduction.This current is proportional to the concentration of the analyte.Chemically modified electrodes(CMEs) have great significance as important analytical tools for the electrochemical determination of pharmaceuticals.The modification of electrode results in efficient determination of electro-active biomolecules at very lower potential without its major interferences.The operation mechanism of CMEs depends on the properties of the modifier materials that are used to promote selectivity towards the target analytes.Modified electrodes can be prepared by deposition of various compounds such as organic compounds ,conducting polymers,metal oxides,etc. on the various electrode surfaces.The thesis presents the development ,electrochemical characterization and analytical application studies of eight voltammetric sensors developed for six drugs viz.,Ambroxol,Sulfamethoxazole,PAM Chloride, Lamivudine,Metronidazole and Nimesulide.The modification techniques adopted as part of the present work include Multiwalled Carbon Nanotube(MWCNT) based modification.Electropolymerisation and Gold Nanoparticle (AuNP) based modifications.

Quantum suppression of shot noise in field emitters

We have analyzed the shot noise of electron emission under strong applied electric fields within the Landauer-Bttiker scheme. In contrast to the previous studies of vacuum-tube emitters, we show that in new generation electron emitters, scaled down to the nanometer dimensions, shot noise much smaller than the Schottky noise is observable. Carbon nanotube field emitters are among possible candidates to observe the effect of shot-noise suppression caused by quantum partitioning.

Voltammetric Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Electrochemical sensors are increasingly being investigated to perform measurements for single or multiple analytes. Demanded by modern medical diagnosis, advances in microfabrication technology have led to the development of fast, sensitive and selective electrochemical sensors for drug analysis. Electrochemical sensors for the measurement of analytes of interest in clinical chemistry are ideally suited for these applications, due to their high sensitivity and selectivity, simple-to-operate, rapid response time and low-cost. As part of the present investigations eight voltammetric sensors have been fabricated for six drugs such as PAM Chloride, Tamsulosin Hydrochloride, Hesperidin Methyl Chalcone, Guaiphenesin, Cephalexin and Amoxicillin trihydrate. The modification techniques adopted as part of the present work include multiwalled carbon nanotube (MWNT) based modifications, electropolymerization, gold nanoparticle (AuNP) based modifications and platinum nanoparticle (PtNP) based modifications. The thesis is divided into nine chapters

Radiopacity and Chemical resistance of Elastomer-Barium sulphate nanocomposites with special reference to Natural Rubber, Ethylene Propylene Rubber and Isobutylene Isoprene Rubber

The Human race of our century is in gluttonous search for novel engineering products which led to a skyrocketed progress in research and fabrication of filled polymers. Recently, a big window has been opened up for speciality polymers especially elastomers with promising properties. Among the many reasons why rubbers are widely used in the process industries, three are considered as important. Firstly, rubbers operate in a variety of environments and possess usable ranges of deformity and durability and can be exploited through suitable and more or less conventional equipment design principles. Secondly, rubber is an eminently suitable construction material for protection against corrosion in the chemical plant and equipment against various corrosive chemicals as, acids and alkalies and if property tailored, can shield ionising radiations as X-rays and gamma rays in medical industry, with minimum maintenance lower down time, negligible corrosion and a preferred choice for aggressive corroding and ionising environment. Thirdly, rubber can readily and hastily, and at a relatively lower cost, be converted into serviceable products, having intricate shapes and dimensions. In a century’s gap, large employment of flexible polymer materials in the different segments of industry has stimulated the development of new materials with special properties, which paved its way to the synthesis of various nanoscale materials. At nano scale, one makes an entry into a world where multidisciplinary sciences meet and utilises the previously unapproached infinitesimal length scale, having dimension which measure upto one billionth of a meter, to create novel properties. The nano fillers augment the elastomers properties in an astonishing fashion due to their multifunctional nature and unprecedented properties have been exhibited by these polymer-nanocomposites just to beat the shortcomings of traditional micro composites. The current research aims to investigate the possibility of using synthesised nano barium sulphate for fabricating elastomer-based nanocomposites and thereby imparting several properties to the rubber. In this thesis, nano materials, their synthesis, structure, properties and applications are studied. The properties of barium sulphate like chemical resistance and radiopacity have been utilized in the present study and is imparted to the elastomers by preparing composites

Novel Electrochemical and Fluorescence Sensors for Food Additives and Neurotransmitters

There is an enormous demand for chemical sensors in many areas and disciplines including chemistry, biology, clinical analysis, environmental science. Chemical sensing refers to the continuous monitoring of the presence of chemical species and is a rapidly developing field of science and technology. They are analytical devices which transform chemical information generating from a reaction of the analyte into an measurable signal. Due to their high selectivity, sensitivity, fast response and low cost, electrochemical and fluorescent sensors have attracted great interest among the researchers in various fields. Development of four electrochemical sensors and three fluorescent sensors for food additives and neurotransmitters are presented in the thesis. Based on the excellent properties of multi walled carbon nanotube (MWCNT), poly (L-cysteine) and gold nanoparticles (AuNP) four voltammetric sensors were developed for various food additives like propyl gallate, allura red and sunset yellow. Nanosized fluorescent probes including gold nanoclusters (AuNCs) and CdS quantum dots (QDs) were used for the fluorescent sensing of butylated hydroxyanisole, dopamine and norepinephrine. A total of seven sensors including four electrochemical sensors and three fluorescence sensors have been developed for food additives and neurotransmitters.

Structural transformation of graphite by arc-discharge

The formation of novel structures by the passage of an electric current through graphite is described. These structures apparently consist of hollow three-dimensional graphitic shells bounded by curved and faceted planes, typically made up of two graphene layers. The curved structures were frequently decorated with nano-scale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and the nanotubes is intimately connected. Small nanotubes or nanoparticles were also sometimes found encapsulated inside the hollow structures, while fullerene-like particles were often seen attached to the outside surfaces. With their high surface areas and structural perfection, the new carbon structures may have applications as anodes of lithium ion batteries or as components of composite materials.

Flow injection amperometric determination of hydrogen peroxide in household commercial products with a ruthenium oxide hexacyanoferrate modified electrode

Hydrogen peroxide was determined in oral antiseptic and bleach samples using a flow-injection system with amperometric detection. A glassy carbon electrode modified by electrochemical deposition of ruthenium oxide hexacyanoferrate was used as working electrode and a homemade Ag/AgCl (saturated KCl) electrode and a platinum wire were used as reference and counter electrodes, respectively. The electrocatalytic reduction process allowed the determination of hydrogen peroxide at 0.0 V. A linear relationship between the cathodic peak current and concentration of hydrogen peroxide was obtained in the range 10-5000 mu mol L(-1) with detection and quantification limits of 1.7 (S/N = 3) and 5.9 (S/N = 10) mu mol L(-1), respectively. The repeatability of the method was evaluated using a 500 mu mol L(-1) hydrogen peroxide solution, the value obtained being 1.6% (n = 14). A sampling rate of 112 samples h(-1) was achieved at optimised conditions. The method was employed for the quantification of hydrogen peroxide in two commercial samples and the results were in agreement with those obtained by using a recommended procedure.