Synthesis of Bi₂O₂CO₃ nanosheets by electrical discharges in liquids for photocatalytic and nanoelectronic applications - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Synthesis of Bi₂O₂CO₃ nanosheets by electrical discharges in liquids for photocatalytic and nanoelectronic applications

Synthèse de nanofeuillets de Bi₂O₂CO₃ par décharges électriques dans des liquides pour des applications photocatalytiques et nanoélectroniques

Anna V. Nominé

Abstract

This work provides information on the synthesis of ultrathin nanosheets composed of Bi₂O₂CO₃, hereafter referred to as BOC. The synthesis is achieved through the rapid and straightforward technique known as Electrical Discharges in Dielectric Liquids (EDDL). To ensure the reproducibility of the synthesis, a pre-treatment method involving the etching of bismuth electrodes with Nital was employed. The chosen process entails initiating electrical discharges between these electrodes while submerged in either liquid nitrogen or water. Remarkably, both liquids produced identical nanostructures, a similarity validated by optical emission spectroscopy, which confirmed the metallic nature of the discharge in both environments. Following this stage, the nanosheets undergo rapid oxidation and carbonation upon exposure to air. The proposed growth mechanism is closely linked to the ledge mechanism, considering the presence of clearly visible kinks and jogs along the edges of the nanosheets. These two-dimensional nanostructures first emerge on the cathode's surface and then grow vertically. This anisotropic growth is made possible by ion assistance in regions that exhibit comb-like patterns formed during the chemical etching step, which is a necessary precondition for high reproducibility of the discharge process. Detailed crystallographic characterization of BOC nanosheets was achieved through a range of techniques, including Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM), High-Resolution TEM Transmission Electron Microscopy (HRTEM), Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Selected Area Electron Diffraction (SAED), Convergent Beam Electron Diffraction (CBED), Energy Filtered Transmission Electron Microscopy (EFTEM), and Electron Energy-Loss Spectroscopy (EELS). The investigation reveals that the crystallographic structure of BOC conforms to the space group I4/mmm, with lattice parameters a=3.91 Å and c=13.77 Å, a determination that was confirmed by X-ray Diffraction (XRD). The study also clarifies the potential origin of satellite spots that are consistently observed in SAED patterns along the [001] zone axis. In this research, these spots were primarily attributed to two phenomena: multiple diffraction and local disorder-to-order transformations occurring within the BOC crystal structure. This transformation entails a transition from a body-centered tetragonal structure to a primitive Bravais lattice. To gauge their practical usefulness, we assessed the photocatalytic performance of BOC nanosheets synthesized using the EDDL method and found it to be consistent with BOC obtained through alternative methods. Furthermore, we explored the electronic performance of BOC with the goal of uncovering their potential in nanodevice applications.
Ce travail fournit des informations sur la synthèse de feuillets nanométriques ultrafins composés de Bi₂O₂CO₃, ci-après dénommé BOC. La synthèse est réalisée par une technique rapide et simple connue sous le signe EDDL correspondant au procédé de décharges électriques dans les liquides diélectriques. Pour assurer la reproductibilité de la synthèse, une méthode de prétraitement impliquant la gravure d'électrodes de bismuth avec du Nital a été employée. Le processus choisi consiste à initier des décharges électriques entre ces électrodes alors qu'elles sont immergées soit dans l'azote liquide, soit dans l'eau. Fait remarquable, les deux liquides conduisent à des nanostructures identiques, une similitude validée par spectroscopie d'émission optique, technique qui a permis de confirmer la nature métallique de la décharge dans les deux milieux. Après cette étape, les nanofeuillets subissent une oxydation et une carbonatation rapides lorsqu'ils sont exposés à l'air. Le mécanisme de croissance proposé est étroitement lié au mécanisme connu sous le nom de « ledge mechanism », en raison de la présence de « kinks » et de « jogs » clairement visibles le long des bords des nanofeuillets. Ces nanostructures bidimensionnelles émergent d'abord à la surface de la cathode et croissent ensuite verticalement. Cette croissance anisotrope est rendue possible par l'assistance ionique dans les régions qui ressemblent à des motifs en forme de peigne formés pendant l'étape de gravure chimique, condition préalable nécessaire à une forte reproductibilité du processus de croissance. La caractérisation cristallographique détaillée des nanofeuillets de BOC a été réalisée à l'aide d'une série de techniques, notamment la microscopie électronique en transmission (TEM), la microscopie électronique en transmission à balayage (STEM), la microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la diffraction d'électrons en aire sélectionnée (SAED), la diffraction d'électrons en faisceau convergent (CBED), la microscopie électronique en transmission filtrée en énergie (EFTEM) et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). L'étude révèle que la structure cristallographique du BOC est conforme au groupe spatial I4/mmm, avec des paramètres de réseau a=3,91 Å et c=13,77 Å, une détermination qui a été confirmée par diffraction des rayons X (DRX). L'étude clarifie également l'origine potentielle des taches satellites qui sont régulièrement observées dans les motifs SAED le long de l'axe de zone [001]. Dans cette étude, ces taches ont été principalement attribuées à deux phénomènes : la diffraction multiple et les transformations locales ordre-désordre qui se produisent dans la structure cristalline du BOC. Cette transformation implique une transition d'une structure quadratique centrée vers un réseau primitif de Bravais. Afin d'évaluer leur utilité pratique, nous avons mesuré la performance photocatalytique des nanofeuillets de BOC synthétisés à l'aide de la méthode EDDL et nous avons constaté qu'elle était comparable à elle de BOCs obtenus par d'autres méthodes. En outre, nous avons évalué la performance électronique des BOC dans le but de découvrir leur potentiel dans les applications liées à des nanodispositifs.
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tel-04584814 , version 1 (23-05-2024)

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  • HAL Id : tel-04584814 , version 1

Cite

Anna V. Nominé. Synthesis of Bi₂O₂CO₃ nanosheets by electrical discharges in liquids for photocatalytic and nanoelectronic applications. Physics [physics]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0357⟩. ⟨tel-04584814⟩
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