FR3080053A1 - Procede de fabrication de nanoparticules metalliques dans un microreacteur - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication de nanoparticules métalliques (40) comprenant les étapes successives suivantes : a) injection d'une solution (10) comprenant un liquide ionique, formé par un cation et un anion, et un précurseur métallique (11), dans un canal réactionnel (20) d'un microréacteur, ayant un diamètre allant de 50µm à 1cm, b) injection d'un fluide (30) contenant un agent réducteur hydrogéné (31), dans le canal réactionnel (20) du microréacteur, le fluide (30) n'étant pas miscible avec la solution (10) injectée à l'étape a), de manière à former une alternance de segments de solution (A) et de segments de fluide (B) adjacents dans le canal réactionnel (20) du microréacteur, et de manière à former des nanoparticules métalliques (40) par réaction du précurseur métallique (11) et de l'agent réducteur hydrogéné (31) à l'interface (C) des segments de solution (A) et des segments de fluide (B).
Description
PROCÉDÉ DE FABRICATION DE NANOPARTICULES MÉTALLIQUES DANS UN MICRORÉACTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention concerne un procédé de fabrication de nanoparticules métalliques, et plus particulièrement, un procédé de fabrication de nanoparticules métalliques dans un microréacteur en présence de liquide ionique.
Les nanoparticules métalliques trouvent des applications dans de nombreux domaines comme, par exemple, la catalyse, le domaine médical, ou encore la fabrication de dispositifs micro/nanoélectroniques.
La synthèse de nanoparticules métalliques, de taille contrôlée, présente donc de nombreux enjeux. Leur synthèse par voie liquide, dans des liquides ioniques, est bien connue. Elle repose sur la réduction et/ou la décomposition de précurseurs métalliques (sels métalliques ou composés organométalliques) par un agent chimique.
Cette réaction peut être réalisée de manière discontinue (en batch). Dans ce type de réacteurs, les cinétiques sont limitées par le transport de matière, ce qui peut conduire à un élargissement de la distribution de taille des nanoparticules et/ou à des durées de synthèse relativement longues (typiquement plusieurs heures), ce qui empêche l'industrialisation du procédé.
Afin de limiter ces inconvénients, la réaction peut également être réalisée en continu, dans des microréacteurs. Dans ces microréacteurs, le milieu réactif se déplace en continu dans un canal de petit diamètre (typiquement inférieur à 5cm, voire inférieur à quelques millimètres). Généralement, le milieu réactif comprend une phase liquide contenant le précurseur métallique et un agent réducteur. Pour améliorer les rendements de réaction, il est nécessaire de mélanger efficacement les deux réactifs. Ceci peut être réalisé en créant de forts mouvements convectifs, par exemple en segmentant l'écoulement par l'utilisation d'une phase non (ou peu) miscible, tel qu'un gaz ou un liquide inerte chimiquement. Le milieu réactif est alors fragmenté en plusieurs trains de segments liquides réactionnels, ou sous la forme de plusieurs gouttes de liquide réactionnel, séparés par la phase immiscible. Ce type d'écoulement est aussi appelé « écoulement de Taylor» ou «écoulement segmenté». Chaque goutte ou chaque segment forme un volume de réaction indépendant, dont le volume très petit est fortement brassé, assurant ainsi une homogénéité optimale du milieu réactionnel. Le document « Ultrafast and continuous synthesis of unaccommodating inorganic nanomaterials in droplet- and ionic liquid-assisted microfluidic System » de P.H. Hoang et al., Journal of the American Chemical Society, 133, 14765-14770 (2011) décrit que l'utilisation de tels écoulements pouvait réduire considérablement la durée de la réaction et conduire à une meilleure dispersion en taille des nanoparticules métalliques.
Par exemple, dans le document US-A-2013/0087020, des nanoparticules métalliques sont synthétisées dans un microréacteur comprenant un canal principal relié à des canaux secondaires, qui permettent d'introduire, dans le canal principal, un métal stabilisé par un ligand, un agent réducteur, un liquide ionique, et un fluide inerte. Le solvant peut être un liquide ionique, comme le l-butyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (BMIM-Tf2N). L'agent réducteur est, par exemple, du tétrahydruroborate de sodium ou un imidazolium borohydré tel que le l-butyl-3méthylimidazolium borohydrure (BMIM-BH4). Le fluide inerte est, par exemple, un liquide hydrophobe, telle que l'huile de polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE).
Cependant, dans le cas des liquides visqueux, tels que les liquides ioniques, les mouvements convectifs sont fortement réduits, ce qui limite la vitesse de mélange des réactifs. Cette cinétique lente représente un frein à la transposition à grande échelle de la synthèse de nanoparticules métalliques.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est, par conséquent, un but de la présente invention de proposer un procédé de fabrication de nanoparticules présentant de meilleures cinétiques par rapport à l'art antérieur, et pouvant être transposable à l'échelle industrielle.
Ce but est atteint par un procédé de fabrication de nanoparticules métalliques comprenant les étapes successives suivantes :
a) injection d'une solution comprenant un liquide ionique, formé par un cation et un anion, et un précurseur métallique, dans un canal réactionnel d'un microréacteur, ayant un diamètre allant de 50 pm à 1 cm,
b) injection d'un fluide contenant un agent réducteur hydrogéné, dans le canal réactionnel du microréacteur, le fluide n'étant pas miscible avec la solution injectée à l'étape a), de manière à former une alternance de segments de fluide et de segments de solution adjacents dans le canal de microréacteur, et de manière à former des nanoparticules métalliques par réaction du précurseur métallique avec l'agent réducteur hydrogéné à l'interface des segments fluide et des segments de solution.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par l'utilisation d'une phase non miscible contenant un agent réducteur à la place d'un gaz inerte. Contrairement à l'art antérieur, l'agent réducteur hydrogéné n'est pas introduit dans la phase contenant le précurseur métallique. Il est présent dans une phase non miscible avec celle contenant le précurseur métallique. Ceci favorise les réactions interfaciales (interface solution/fluide) dans le canal du microréacteur, maximise les échanges et permet d'accélérer les vitesses de réaction malgré la viscosité du liquide ionique. La productivité du procédé est ainsi améliorée.
Le canal réactionnel du microréacteur, aussi appelé tube réactionnel, présente des dimensions telles qu'il permet d'avoir un « écoulement de Taylor» ou « écoulement segmenté » dans lequel sont présents des segments de solution et des segments de fluide. Avec un tel écoulement, les aires interfaciales sont élevées et les pertes de charge sont faibles. Le diamètre du canal réactionnel du microréacteur est ici supérieur à environ 50 pm car en dessous de cette valeur, en fonction des propriétés des fluides, d'autres processus physiques interviennent et l'écoulement segmenté n'est plus stable. De plus, le diamètre du canal réactionnel du microréacteur est ici inférieur à environ 1 cm car au-dessus de cette valeur, des écoulements segmentés peuvent être observés dans des conditions très particulières mais ils ne sont pas stables et dérivent vers des écoulements à bulles.
De manière avantageuse, le diamètre du canal réactionnel du microréacteur est compris entre environ 300 pm et 3 mm. De telles dimensions favorisent l'obtention de segments de faibles volumes et augmentent le nombre d'interface fluide/solution, ce qui améliore les cinétiques réactionnelles.
Ce procédé laisse les nanoparticules exemptes de toute contamination de surface (les produits hydrogénés ne se coordonnent pas aux nanoparticules métalliques).
De manière surprenante et inattendue, les nanoparticules métalliques obtenues avec ce procédé, mettant en jeu une synthèse en continu dans un microréacteur, présentent des dimensions inférieures à celles obtenues avec un procédé en mode discontinu.
Selon une première variante particulièrement avantageuse, le fluide est du dihydrogène. Le dihydrogène joue à la fois de rôle de réactif et d'agent de mélange. Ce procédé ne génère pas de déchet soluble à l'issue de la réaction.
Selon une deuxième variante avantageuse, le fluide est une solution aqueuse.
Selon cette deuxième variante avantageuse, l'agent réducteur peut être de l'hydrazine.
Selon une variante avantageuse, l'agent réducteur hydrogéné est introduit en quantité stoechiométrique par rapport au précurseur métallique. Les quantités de réactif sont telles que tout l'agent réducteur hydrogéné injecté est consommé lors de la réaction, pour limiter les pertes de réactifs, et, dans le cas de dihydrogène, pour ne pas avoir un dégagement de ce gaz inflammable en sortie de réacteur. En sortie du microréacteur, l'agent réducteur hydrogéné présent dans le fluide non miscible a été totalement consommé.
Selon une autre variante avantageuse, l'agent réducteur hydrogéné est introduit en excès par rapport au précurseur métallique. L'agent réducteur hydrogéné tend à être consommé au fur et à mesure de la circulation dans le canal de microréacteur, ce qui modifie les propriétés de l'écoulement (vitesses superficielles), notamment dans le cas d'un gaz réducteur. Un excès d'agent réducteur hydrogéné permet d'obtenir un régime stationnaire plus stable.
Avantageusement, plusieurs canaux d'injection du fluide sont connectés au canal réactionnel du microréacteur. Ceci permet d'apporter, à intervalles réguliers ou irréguliers, une nouvelle quantité de fluide dans le canal réactionnel du microréacteur. Ce mode de réalisation permet d'avoir une quantité d'agent réducteur hydrogéné constante ou à peu près constante dans le canal réactionnel du microréacteur et/ou des vitesses d'écoulement des segments fluide/solution constante ou à peu près constante tout au long du canal réactionnel.
Avantageusement, le précurseur métallique est un précurseur de cuivre et/ou de platine et/ou de ruthénium et/ou de nickel et/ou de cobalt et/ou d'argent et/ou de manganèse et/ou de tantale et/ou de palladium.
Avantageusement, le précurseur métallique est un sel métallique ou un complexe organométallique. L'agent réducteur permet d'hydrogéner les ligands du complexe organométalliques, pour les rendre plus volatils, et les éliminer plus facilement, et/ou de réduire le métal lorsque celui n'est pas à un degré d'oxydation (0).
Avantageusement, le canal réactionnel du microréacteur est chauffé à une température allant de 15°C à 300°C, et de préférence de 50°C à 100°C. Le choix de la température dépendra du précurseur métallique, et notamment de son degré d'oxydation.
Avantageusement, les nanoparticules ont une plus grande dimension allant de lnm à 50nm, encore plus préférentiellement de lnm à lOnm.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
- la figure 1 est une représentation schématique, en coupe, d'un canal de microréacteur, selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une représentation schématique, en coupe, d'un canal de microréacteur, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est un cliché photographique représentant un microréacteur permettant de produire en continu des particules métalliques selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est un cliché obtenu au microscope électronique à balayage par transmission (STEM) de nanoparticules obtenues selon le procédé de l'invention,
- la figure 5 représente la distribution de tailles des nanoparticules observées sur la figure 4.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent des vues en coupe d'un canal réactionnel 20 d'un microréacteur, selon différents modes de réalisation du procédé de fabrication de nanoparticules métalliques 40.
Procédé de fabrication de nanoparticules métalliques 40 :
Par nanoparticules, on entend des éléments de forme sphérique, cylindrique, ou ovoïde, de tailles nanométriques. Elles ont, de préférence, une plus grande dimension inférieure à Ιμιτι, par exemple allant de lnm à 500nm, de préférence de lnm à 50nm, encore plus préférentiellement de lnm à lOnm.
Par métallique, on entend un métal ou un alliage de métaux. Les nanoparticules sont, par exemple, en ruthénium, en argent, en or, et/ou en cuivre. Les nanoparticules peuvent également avoir une structure cceur/coquille, avec un cœur en un premier métal et une coquille en un deuxième métal, ou en plusieurs couches de différents métaux. On parle de nanoparticules monométalliques, bimétalliques ou polymétalliques en fonction du nombre de métaux présents dans la nanoparticule.
Le procédé de fabrication de nanoparticules métalliques 40 comprend les étapes successives suivantes :
a) injection d'une solution 10 comprenant un liquide ionique, formé par un cation et un anion, et un précurseur métallique 11, tel qu'un sel métallique ou un complexe organométallique, dans un canal réactionnel 20 d'un microréacteur,
b) injection d'un fluide 30 contenant un agent réducteur hydrogéné 31, dans le canal réactionnel 20 du microréacteur, le fluide 30 n'étant pas miscible avec la solution 2 injectée à l'étape a), de manière à former une alternance de segments de solution A et de segments de fluide B dans le canal réactionnel 20 du microréacteur, et de manière à former des nanoparticules métalliques 40 par réaction du précurseur métallique 11 et de l'agent réducteur hydrogéné 31 à l'interface C des segments de solution A et des segments de fluide B.
La solution 10 fournie à l'étape a) comprend au moins un liquide ionique, c'est-à-dire que cette solution peut aussi bien comprendre un seul liquide ionique qu'un mélange de plusieurs (deux, trois,...) liquides ioniques. L'homme du métier choisira des liquides ioniques miscibles entre eux. L'utilisation d'un mélange de liquide ionique peut jouer sur la taille des nanoparticules.
On entend par liquide ionique l'association d'au moins un cation et un anion qui génère un liquide avec une température de fusion inférieure ou voisine de 100°C.
Avantageusement, le cation est choisi parmi un ammonium, un imidazolium, un pyrrolidinium, un phosphonium, un sulfonium et un pipéridinium.
L'imidazolium est, par exemple, le l-octyl-3-méthyl-imidazolium aussi noté ClC8lm, ou le l-butyl-3-méthyl-imidazolium aussi noté ClC4lm.
Avantageusement, l'anion est choisi parmi les anions halogénures, tels que CI-, Br, I’, les amines, comme les dicyanamides N(CN)2_ notés DCA-, et les ligands soufrés tels que les thiocyanates SCN, Bis(trifluoromethanesulfony)imide noté NTf2_, bis(fluorosulfonyl)imide (FSOzhN- noté FSI“, trifluorométhanesulfonate ou triflate CF3SO3·, tris(pentafluoroéthyl)trifluorophosphate noté FAP et bis(oxalato)borate noté BOB-.
L'utilisation de liquides ioniques présente de nombreux avantages en termes de chimie, de coût ou de procédé. Les liquides ioniques présentent une grande stabilité thermique, une tension de vapeur quasi nulle (ils ne s'évaporent pas, même sous vide secondaire), une très faible volatilité, une très faible inflammabilité et des tensions de surface faibles (ce sont de bons agents mouillants). Ils ont un point de fusion très bas, souvent inférieur à la température ambiante.
Les liquides ioniques ne sont pas dégradés pendant le procédé, ce qui limite le coût du procédé et évite le traitement de la solution en sortie du microréacteur. Ils peuvent aisément être recyclés à l'issue de la réaction.
La solution 10 comprend, en outre, un précurseur métallique 11.
Il peut s'agir d'un ou de plusieurs sels métalliques et/ou d'un ou plusieurs complexes métalliques.
Le précurseur métallique 11 peut être un précurseur de de cuivre, de platine, de ruthénium, de nickel, de cobalt, et/ou d'argent.
La concentration en précurseur métallique 11 va, par exemple, de 1.10’4 mol/L à 0,5 mol/L.
Le précurseur métallique 11 est, de préférence, un complexe organométallique. Par complexe organométallique, on entend un édifice polyatomique dans lequel un élément métallique est lié à un ou plusieurs (deux, trois, ou quatre, par exemple) ligands organiques via des liaisons dites de coordination.
Il peut y avoir un élément métallique ou deux éléments métalliques identiques (dimère) dans le complexe organométallique. L'élément métallique est, par exemple, un métal de transition. Il pourrait s'agir, selon une variante, d'un métal noble ou non noble, d'un lanthanide ou d'un élément des terres rares. De préférence, le métal est un métal de transition. Il peut être choisi parmi le cuivre, le zinc, le nickel, le cobalt, le fer, le manganèse, le ruthénium, l'argent et le titane.
Le complexe organométallique peut inclure l'élément métallique sous un degré d'oxydation égal à 0 ou différent de 0, par exemple (I), (II), (III), ou (IV).
Le ou les ligands peuvent être choisis parmi le cyclooctadiène et les βdicétones telles que l'acétylacétone (AA), la trifluoroacétyl-acétone (TAA), l'hexafluoroacétylacétone (HFA), la thénoyltrifluoroacétone (TTA), la 4,4- trifluoro-l-(2thiényl)-l,3-butanedione (ΗΤΤΑ), la 1,5-cyclooctadiène-hexafluoroacétylacétone (CODHFA), la dibenzylidèneacétone (DBA), le mésityl et le cyclooctatétraène (COT).
Le métal et les ligands sont choisis de telle sorte que les ligands facilitent la solubilité du métal dans le liquide ionique.
Avantageusement, à ce mélange il peut être optionnellement ajouté un agent pour fluidifier le milieu réactionnel, en diminuant la viscosité. Il peut s'agir d'un solvant (non coordinant).
Lors de l'étape b), un fluide 30 contenant un agent réducteur hydrogéné 31 est injecté dans le canal de microréacteur.
Le fluide 30 est une phase non miscible avec la solution contenant le précurseur métallique injectée à l'étape a). La solution 10 est ainsi fragmentée, dans le canal réactionnel du microréacteur, en plusieurs segments de solution A, séparés par des segments de fluide B. On obtient une alternance de segment de fluide B et de segments de solution A. Les segments de fluide B sont adjacents aux segments de solution A. De préférence, il n'y a pas d'autres segments d'un autre fluide entre eux. Le contenu du tube réactionnel est, de préférence, constitué d'une alternance de segments de fluide B et de segments de solution adjacents A. La réaction entre le précurseur métallique 11 et l'agent réducteur hydrogéné 31 se fait à l'interface C des segments de fluide B et des segments de solution A. Par segment de solution, on entend une goutte ou un volume de plusieurs gouttes de solution (typiquement entre environ 0,1 pL et 500 pL). Les segments de solution A peuvent avoir des volumes identiques ou différents. Les segments de fluide B peuvent avoir des volumes identiques ou différents. Les segments de solution A et les segments de fluide B peuvent avoir des volumes identiques ou différents. Chaque segment A, B présente un diamètre égal ou très proche (au moins 90% du diamètre) de celui du canal 20 de microréacteur.
L'agent réducteur hydrogéné 31 permet de réduire le précurseur métallique lorsqu'il est à un degré d'oxydation supérieur à 0 et/ou d'hydrogéner les ligands du complexe métallique pour les rendre plus volatils. L'hydrogénation des ligands permet de les éliminer plus facilement.
Le fluide 30 peut être liquide ou gazeux.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le fluide 30 contient et, de préférence, est constitué d'un agent réducteur sous forme gazeuse.
Il peut s'agir de dihydrogène pur ou d'un mélange dihydrogène/gaz neutre, tel que Hz/Ar. Il pourrait s'agir de tout autre gaz réducteur. Il peut s'agir, par exemple, d'ammoniac et/ou de BzHe.
L'agent réducteur, sous forme gazeuse, est, par exemple, introduit dans le canal du microréacteur à une pression partielle allant de 0,1 à 100 bar, cette gamme de pression pouvant plus pratiquement être réduite de 1 à 20 bar. Une pression partielle inférieure à 1 bar peut être obtenue à l'aide d'une dilution de l'agent réducteur dans un inerte tel que le diazote, l'argon, ou tout autre gaz n'intervenant pas dans la réaction.
Selon un autre mode de réalisation, un agent réducteur hydrogéné 31 dissout dans une phase liquide non miscible avec la phase liquide contenant le précurseur métallique pourrait être utilisé. On peut, par exemple, utiliser de l'hydrazine en solution aqueuse pour des nanoparticules qui ne sont pas oxydées par l'eau, du triéthylsilane, du tétrahydruroborate de sodium ou encore des dérivés alkyls aluminium en solution dans des alcanes.
L'agent réducteur hydrogéné 31 est, de préférence, introduit en quantité stoechiométrique ou en excès par rapport au précurseur métallique 11.
La solution 10 et le fluide 30 peuvent être injectés en un même endroit du canal réactionnel 20 ou en des endroits différents.
L'agent réducteur hydrogéné 31 peut être injecté en une seule fois, le canal du microréacteur comporte alors un seul canal d'injection 21a de fluide (figure 1). L'agent réducteur hydrogéné 31 peut également être injecté en plusieurs fois, au niveau de plusieurs canaux d'injection 22a, 22b, 22c de fluide (figure 2), de manière étagée. L'agent réducteur hydrogéné 31 peut être injecté à intervalles réguliers ou irréguliers le long du canal réactionnel 20 pour obtenir des quantités stoechiométriques de réactifs à peu près proportionnelles tout au long du canal de microréacteur. Lorsque l'agent réducteur hydrogéné 31 est injecté de manière étagée, il est possible d'opérer à plus forte concentration de précurseur métallique 11.
Pour obtenir un régime stationnaire stable, il est possible soit d'utiliser un excès d'agent réducteur 31 par rapport à la quantité de précurseur métallique 11 à convertir soit d'en injecter de manière étagée.
Avantageusement, le milieu réactionnel est à une température allant de 15°C à 300°C, et de préférence de l'ordre de 20°C à 300°C, par exemple de 20°C à 250°C, été encore plus préférentiellement de 50°C à 100°C. Lorsque que le précurseur métallique 11 est à un degré d'oxydation (0), des températures plus faibles peuvent être utilisées, par exemple, il est possible de choisir de travailler à la température ambiante (20-25°C). On choisira une température inférieure à la température de décomposition des ligands.
A l'issue du procédé, les nanoparticules sont séparées (par exemple par centrigufation ou microfiltration) et le liquide ionique est régénéré. Il peut être réutilisé, ce qui réduit la consommation de réactifs.
Une fois, les nanoparticules extraites du liquide ionique, il est possible de procéder à un nouveau cycle de fabrication.
Microréacteur :
Le microréacteur, utilisé pour mettre en œuvre le procédé, comprend :
- au moins un canal réactionnel 20, ayant un diamètre allant de 50pm à 1cm, de préférence de 300pm à 3mm, et encore plus préférentiellement de 500pm à 1mm.
- au moins une entrée pour injecter la solution 10 contenant précurseur métallique 11 et le liquide ionique, dans le canal réactionnel 20,
- un 21a canal d'injection ou plusieurs 22a, 22b, 22c canaux d'injection pour injecter le fluide 30 contenant l'agent réducteur hydrogéné 31.
Les réactifs sont, de préférence, injectés en continu. Par exemple, les réactifs sont injectés à l'une des extrémités du canal 20 du microréacteur et les nanoparticules 40 sont récupérées en continu et en solution à l'autre extrémité du canal 20 du microréacteur.
Le fluide est injecté dans le canal réactionnel dans lequel la solution s'écoule.
Le microréacteur peut également comprendre des moyens de chauffage pour chauffer le canal 20 de microréacteur afin de favoriser les cinétiques de réaction.
Des moyens de chauffage peuvent également de chauffer les réactifs avant leur injection dans le canal 20 de microréacteur.
Le microréacteur peut également comprendre des moyens de régulation de la pression pour injecter sous pression un ou plusieurs réactifs.
Le microréacteur peut comprendre des moyens de régulation du débit de précurseurs métalliques 11 et/ou de liquide ionique et/ou de fluide 30 contenant l'agent réducteur hydrogéné 31.
Les débits, pour ce microréacteur, sont de l'ordre de lOmL/h. Ils pourraient être augmentés jusqu'à des débits de l'ordre de lL/h pour pouvoir augmenter les cadences de production.
La synthèse en continu dans le microréacteur présente de nombreux avantages. Il est facile de modifier les conditions de synthèse (température par exemple). Des microréacteurs peuvent être montés en série, par exemple pour synthétiser des composés bimétalliques, ou en parallèle pour augmenter la capacité de production.
Exemple illustratif et non limitatif d'un mode de réalisation :
Le microréacteur utilisé, dans cet exemple, est représenté sur la figure
3. Un pousse-seringue 50 permet d'injecter, avec un débit contrôlé, un liquide porteur ayant des propriétés physiques (viscosité notamment) proches de celles du liquide ionique utilisé. L'injection de ce liquide porteur, en début du procédé, permet d'amorcer et de maintenir l'écoulement segmenté dans le réacteur sans consommer de liquide ionique. Le liquide porteur est, par exemple, du propanediol.
Le précurseur métallique 11 est mélangé à un liquide ionique et un volume contrôlé de cette solution 10 peut être injecté à tout moment dans le canal 20 à l'aide d'une boucle d'injection 60, sans perturber l'écoulement.
Les segments fluide 30/solution 10 sont formés par injection d'un fluide 30 non miscible avec la solution 10, à débit contrôlé, dans un canal d'injection 21a relié au canal du microréacteur 20 par une jonction 70 en T. Le canal réactionnel 20 est un tube, de diamètre 0,75 mm et de longueur 5 m, qui est thermostaté.
Une section du canal réactionnel 20 est placée dans une fenêtre d'observation qui permet de visualiser et d'enregistrer, grâce à une caméra, les caractéristiques de l'écoulement et le changement de couleur du liquide.
A la sortie du canal 20, la suspension est collectée, par exemple, dans un pilulier.
Des nanoparticules 40 de ruthénium ont été synthétisées dans ce réacteur. Pour cela, une solution contenant du (q4-l,5-cyclooctadiène)(q6-l,3,5cyclooctatriène) ruthénium(O) (aussi noté Ru(COD)(COT)) et du l-butyl-3methylimidazolium bistrifluoromethyl-sulphonylimide (noté ClC4lmNTf2) est utilisée. Du dihydrogène est injecté via la jonction 3 en T. La concentration de RuCODCOT est par exemple égale à environ 0,05 mol/l.
La température du microréacteur est fixée à 60°C. Lors de la progression de la solution 10 dans le canal de réaction 20, la solution 10 vire progressivement du jaune (solution de Ru(COD)(COT)) au noir (couleur caractéristique d'une suspension de nanoparticules 40 de ruthénium métallique). Le temps de parcours du liquide dans le réacteur est inférieur à 10 min (contre 4 h dans un procédé de type batch).
Les nanoparticules 40 synthétisées ont été observées au STEM (Figure 4) Les nanoparticules 40 de ruthénium ont un diamètre de l,8±0,6 nm (Figure 5), ce qui est significativement plus petit que les diamètres des nanoparticules 40 obtenues avec un procédé de type batch (3,4±0,5 nm), pour une même gamme de température, mais après 4 h de réaction. Les nanoparticules 40 présentent une bonne distribution de tailles. De plus, la concentration des nanoparticules 40 est de l'ordre de 1017 nanoparticules/cm3.
Claims (12)
1. Procédé de fabrication de nanoparticules métalliques (40) comprenant les étapes successives suivantes :
a) injection d'une solution (10) comprenant un liquide ionique, formé par un cation et un anion, et un précurseur métallique (11), dans un canal réactionnel (20) d'un microréacteur, ayant un diamètre allant de 50 pm à 1 cm,
b) injection d'un fluide (30) contenant un agent réducteur hydrogéné (31), dans le canal réactionnel (20) du microréacteur, le fluide (30) n'étant pas miscible avec la solution (10) injectée à l'étape a), de manière à former une alternance de segments de solution (A) et de segments de fluide (B) adjacents dans le canal réactionnel (20) du microréacteur, et de manière à former des nanoparticules métalliques (40) par réaction du précurseur métallique (11) et de l'agent réducteur hydrogéné (31) à l'interface (C) des segments de solution (A) et des segments de fluide (B).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide (30) est du dihydrogène.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide (30) est une solution aqueuse.
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'agent réducteur (31) est de l'hydrazine.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent réducteur hydrogéné (31) est introduit en quantité stoechiométrique par rapport au précurseur métallique (11).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent réducteur hydrogéné (31) est introduit en excès par rapport au précurseur métallique (11).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs canaux d'injection (22a, 22b, 22c) du fluide sont connectés au canal réactionnel (20) du microréacteur.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le précurseur métallique (11) est un précurseur de cuivre et/ou de platine et/ou de ruthénium et/ou de nickel et/ou de cobalt et/ou d'argent et/ou de manganèse et/ou de tantale et/ou de palladium.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le précurseur métallique (11) est un sel métallique ou un complexe organométallique.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal réactionnel (20) du microréacteur est chauffé à une température allant de 15°C à 300°C, et de préférence de 50°C à 100°C.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal (20) réactionnel (20) du microréacteur a un diamètre allant de 300pm à 3mm.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanoparticules métalliques (40) ont une plus grande dimension allant de lnm à 50nm, encore plus préférentiellement de lnm à lOnm.
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| CN111203545A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-29 | 河南科技大学 | 一种离子液体调控的菊花状Pd纳米粒子的制备方法 |
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