Study of growth mechanism of conducting polymers by pulse radiolysis

Étude du mécanisme de croissance de polymères conducteurs par radiolyse impulsionnelle Les polymères conducteurs (PC) sont des matériaux organiques semi-conducteurs très utilisés dans diverses applications technologiques. Les propriétés optiques et conductrices de ces matériaux organiques conjugués résultent de la délocalisation électronique le long des chaînes polymères et dépendent, de ce fait, de la longueur de conjugaison. Les différentes méthodologies de synthèse des PC ont toujours pour finalité la fabrication de nouvelles structures polymères stables dans différents environnements, et dont les propriétés optiques et conductrices seraient ajustables. Néanmoins, les PC qui sont actuellement fabriqués présentent encore un certain nombre de défauts, du fait d’un manque de compréhension et de contrôle du processus de polymérisation.Parmi tous les polymères conducteurs, le poly (3, 4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT, un dérivé de polythiophène) et le polypyrrole (PPy) sont déjà utilisés dans plusieurs applications pour leurs propriétés chimiques et physiques. Les PC, comme le PEDOT et le PPy, sont habituellement synthétisés par voie chimique ou électrochimique, la polymérisation étant systématiquement initiée par une étape d’oxydation des monomères. D'autre part, les propriétés complexes des polymères ne peuvent être contrôlées que si une bonne connaissance du procédé de polymérisation est acquise. Dans ce cas, il est possible d’orienter le processus lors de la synthèse (fonctionnalisation, caractère hydrophile, longueur de la chaîne, niveau de dopage) afin d’améliorer les propriétés conductrices des polymères synthétisés.La radiolyse de l'eau représente une méthode simple et efficace qui permet la polymérisation dans des conditions douces (température et pression ambiantes), sans aucun dopant externe, mais qui à notre connaissance n’avait jamais été utilisée seule pour la synthèse de PC. Au sein de notre laboratoire, une méthodologie alternative basée sur l’interaction rayonnement-matière a récemment été utilisée avec succès pour la synthèse de PC nanostructurés en solution aqueuse. Le présent travail est plus spécifiquement consacré à la synthèse de PEDOT et PPy en solution aqueuse et à l'étude de leur mécanisme de croissance par radiolyse pulsée.Grace à l'accélérateur d'électrons ELYSE, l'utilisation de la radiolyse pulsée couplée à la spectroscopie d'absorption résolue dans le temps a permis d'étudier la cinétique des réactions à l’échelle de la nanoseconde et de la milliseconde. Les spectres d’absorption des espèces transitoires impliquées dans le mécanisme réactionnel ont été identifiés grâce à des calculs de chimie quantique. Tout d'abord, la réaction du radical hydroxyle avec les monomères EDOT et Py a été étudiée, ainsi que la polymérisation induite par le rayonnement. Ensuite, l'étude a été transposée à d'autres radicaux oxydants tels que CO3.-, N3. et SO4.- à différents pH. Cette approche a permis de mettre en évidence l'influence des espèces oxydantes sur les premières étapes transitoires lors de l’oxydation des monomères (radical cation, produit d'addition ou radical neutre). Enfin, le faisceau d'électrons a été utilisé comme source de rayonnement ionisant (accumulation de pulses) afin de synthétiser in situ les polymères conducteurs PEDOT et PPy. Ces résultats démontrent que le mécanisme de croissance des PC n'est pas un mécanisme en chaine, mais un mécanisme par stades.