Synthesis, characterization and applications of some bismuth (iii) and antimony(iii) sulfide nanomaterials

Abstract

Des ligands dithiocarbamates heterocycliques piperidine([Na(S2CPip] 2H2O), tetrahydroquinoline ([Na(S2CThq] 4H2O) et morpholine ([Na(S2CThq]4H2O) ont été synthetisés avec des rendements variant entre 66.00 et 84.04 %. Les ligands synthétisés ont été utilisés pour la préparation de sept (07) complexes de Sb(III) et Bi(III). Des rendements de réaction variant entre 62.00 et 92.00 % ont été obtenus. Quatre (04) nouvelles structures cristallines du complexe de Bi(III) ont été élucidées : [Bi(S2CPip)2NO3], [Bi(S2CPip)3], [Bi(S2CThq)3] et [Bi(S2CPip)3]2CHCl3. Les structures cristallines de trois (03) complexes de Sb(III), [Sb(S2CMor)3], [Sb(S2CDed)3] et [Sb(S2CPip)3] ont aussi été déterminées mais ont déjà été reportées dans la littérature à hautes températures. Les composés synthétisés ont été caractérisés par des méthodes analytiques connues telles que la mesure du point de fusion, l’analyse micro élémentaire, la spectroscopie Infra-rouge par transformé de fourrier (FT-IR), les spectroscopies RMN 1H et RMN 13C et l’analyse thermogravimétrique (ATG). Tous les composés fondent à une température comprise entre 295 ͦC et 299 ͦC pour les ligands et de 230 ͦC et 279 ͦC pour les complexes. L’analyse infra-rouge a révélé la nature bidentée des ligands. Les résultats de l’analyse micro élémentaire sont en accord avec les formules proposées pour les composés synthétisés. L’analyse thermogravimétrique a révélé des pertes de masses à des températures comprises entre 230 ͦC et 450 ͦC, les résidus correspondants au bismuth sulfure et à l’antimoine sulfure. Les complexes [Bi(S2CPip)2NO3], [Bi(S2CThq)2NO3], [Bi(S2CPip)3] et [Bi(S2CThq)3] ont été utilisés pour la synthèse des nanoparticules de Bi2S3 à des températures de 190 oC, 230 oC et 270 oC, utilisant les surfactants conventionnels et les surfactants “verts”. Les spectres UV/Vis des nanotiges montrent un “blue shift” général dans les bandes d’absorption des nanotiges de synthétisées à toutes les températures tant dans les surfactants conventionnels que dans les surfactant « verts » ; ceci étant une caractéristique de l’effet confinement quantique. Les images MET ont montré dans les surfactants conventionnels la formation de longues et courtes nanotiges de Bi2S3 de haute qualité, cristalline et température dépendante. Une augmentation de la largeur des particules avec la variation de la température de la réaction pour les nanoparticules obtenues en utilisant les surfactants conventionnels et les surfactants “verts” a été observée. L'augmentation de la largeur avec la longueur de la chaîne carbonée de l'amine pour les nanoparticules obtenues en utilisant les surfactants conventionnels a été également observée. La DRX en poudre a révélé une structure cristalline orthorhombique des nanoparticules de Bi2S3. Une méthode de synthèse sans solvant a été utilisée pour produire des Nps de Bi2S3 à 350 °C, 400 °C et 450 °C par pyrolyse des complexes de [Bi(S2CPip) 2NO3] et [Bi(S2CThq) 2] NO3 sous atmosphère inerte de N2. Des tiges de Bi2S3 de forme irrégulière hors du nanomètre ont été obtenues à partir de [Bi(S2CPip) 2NO3]. Des particules de forme irrégulière ont été obtenues à 350 °C et 400 °C, tandis qu’à 450 °C, un mélange de particules de forme irrégulière et de tiges allongées ont été formées à partir de [Bi(S2CThq) 2NO3]. Des particules microstructurées de sulfure d'antimoine ont été synthétisées par la méthode de thermolyse à chaud dans l'oléylamine avec et sans le 1-dodécanethiol (DT) à 230 °C en utilisant des complexes [Sb(S2CPip)3], [Sb(S2CMor)3] et [Sb(S2CDed)3] comme précurseurs. Des micropinces avec des ratios 4,53, 4,12 et 3,99 sans le DT ont été obtenues. Des tiges isolées plus allongées ayant un rapport de longueur compris entre 7,31, 7,44 et 7,92 ont été obtenues en ajoutant le DT. La DRX a montré la formation d'une phase stibnite orthorhombique pure. La gamme complète des solutions solides (Bi1-xSbx) 2S3, où 0 ≤ x ≤ 1, a été synthétisée par thermolyse à chaud dans l'oléylamine à 230 °C en faisant varier le ratio molaire du Bi et de Sb dans les complexes [Bi(S2CPip) 3] et [Sb(S2CPip)3]. Une expansion presque linéaire des paramètres de réseau a et c a été observé lorsque le ratio molaire du précurseur de Sb augmente. La composition des particules suive de manière directionnelle le ratio de la quantité de précurseur utilisé. Un léger écart par rapport à la loi de Vegard a été observé avec une contraction du paramètre b et une réduction d’environ 3,5 % du volume du réseau. Les nanotiges obtenues sont riches en Bi et en Sb et, ont montré des ratios dépendant de la composition du matériau. Les complexes [Bi(S2CPip)3] et [Bi(S2CThq)3] ont été utilisés pour la déposition des couches minces de Bi2S3 à 350 °C, 400 °C et 450 °C en utilisant la technique de déposition de vapeur chimique assistée par aérosol (DVCAA) et de dépôt par centrifugation. Les images de la MEB ont montrée des morphologies qui dépendent du mélange de solvants, de la température, du type de précurseur et de la méthode de dépôt. DVCAA a donné des films sous forme de disques hexagonaux, des plaquettes en forme de feuilles, des fibres en forme de ruban et d'aiguilles. Des films sous forme de bâtonnets et de nanofils entrelacés ont été obtenus à partir de la méthode par centrifugation. Des nanotiges de sulfure d'antimoine ont été testées pour les réactions de dégagement d'oxygène et d'hydrogène et pour les performances super condensatrice. Il a été observé que l'utilisation d'une petite quantité de DT améliorait les performances électrochimiques et électrocatalytiques des nanotiges.