Theses Year : 2024

Nanodiamonds and fluorinated graphite for a new class of neutron reflectors

Nanodiamants et graphite fluorés pour des réflecteurs de neutrons nouvelle génération

Abstract

The aim of this PhD work was to synthesize highly scattering nanomaterials with low neutron absorption, consisting solely of carbon and fluorine, in order to close the slow neutron reflectivity gap in the 90-600 m/s neutron velocity range (between the best supermirror and graphite). The materials selected were nanodiamonds with a calibrated diameter (5 nm) and fluorinated graphites. Among fluorinated graphites, the (C2F)n phase has the highest interplanar distance (9 Å), enabling reflectivity of up to 220 m/s. Despite the difficulty of obtaining this (C2F)n phase, due to its restricted fluorination temperature range (350-400°C), the tendency to over-fluorinate and the risk of exfoliation, we successfully synthesized fluorinated graphite powders with a high (C2F)n content, with a maximum content of 96 % (C2F)n and an interplanar distance of around 9 Å. Neutron reflectivity measurements of these samples revealed that (C2F)n-rich fluorinated graphite can be used as an effective reflector for slow neutrons. Graphite foils have also been fluorinated to overcome the impossibility of densifying fluorinated graphite powders, an essential criterion for the creation of neutron reflectors. High levels of (C2F)n were also obtained, i.e. ~75%, and no exfoliation was observed. All these characteristics make fluorinated graphite foils very promising as slow neutron reflectors. The detonation nanodiamonds are chosen for the purpose of developing new slow neutron reflectors because they are available in industrial quantities. They unfortunately contain a sp2 carbon shell on their surface and hydrogenated and oxygenated neutron-absorbing impurities, as well as metallic impurities that can be activated under neutron flux. It was shown in this study that the use of chlorine effectively eliminates metallic impurities from detonation nanodiamonds, and that the combination with molecular fluorine converts the hydrogenated and oxygenated groups present on the surface of these nanoparticles into C-F bonds, providing a hydrophobic character that prevents any subsequent adsorption of water molecules. A method for concentrating metallic impurities was developed during the course of this PhD work, which made it possible to overcome the detection limit of the characterization equipment used. It also proved that the combustion temperature of detonation nanodiamonds was a good indicator of their purity. In addition, the combination of chlorination and fluorination treatments increased the thermal stability of these compounds by 200 °C.
L'objectif de ces travaux de thèse était de synthétiser des nanomatériaux hautement diffusant à faible absorption neutronique, constitués uniquement de carbone et de fluor, ceci afin de combler le gap de réflectivité des neutrons lents dans la plage de vitesse des neutrons 90-600 m/s (se situant entre le meilleur supermiroir et le graphite). Les matériaux retenus étaient des nanodiamants de diamètre calibré (5 nm) et des graphites fluorés. Parmi les graphites fluorés, la phase (C2F)n, possède la distance interfeuillet la plus élevée (9 Å) permettant une réflectivité jusqu'à 220 m/s. Malgré la difficulté d'obtention de cette phase (C2F)n, de par son domaine de température de fluoration restreint (350-400 °C), la tendance à la surfluoration et le risque d'exfoliation, nous sommes parvenus à synthétiser des poudres de graphites fluorés à haute teneur en (C2F)n dont la teneur maximale obtenue est de 96 % de (C2F)n, avec une distance interplannaire d'environ 9 Å. Les mesures de réflectivité des neutrons sur ces échantillons ont révélé qu'un graphite fluoré riche en (C2F)n peut être utilisé comme un réflecteur efficace pour les neutrons lents. Des feuilles de graphites ont également été fluorées afin de palier l'impossibilité de densifier les poudres de graphite fluoré, critère essentiel pour la création de réflecteurs de neutrons. Des taux élevés en (C2F)n ont été obtenus, soit ~75 % et aucune exfoliation n'a été constatée. Toutes ces caractéristiques font que les feuilles de graphite fluoré se révèlent très prometteuses en tant que réflecteurs de neutrons lents. Les nanodiamants de détonation choisis pour ce travail, car disponibles en quantité industrielle, contiennent en surface une couche de carbone sp2 et des groupements hydrogénés et oxygénés absorbeurs de neutrons, ainsi que des impuretés métalliques activables sous flux neutronique. Il est montré dans ces travaux de thèse que l'utilisation de dichlore permet d'éliminer efficacement les impuretés métalliques des nanodiamants de détonation, et que la combinaison avec du fluor moléculaire convertie les groupements hydrogénés et oxygénés à la surface de ces nanoparticules en liaisons C-F apportant un caractère hydrophobe empêchant tout adsorption de molécules d'eau. Une méthode de concentration des impuretés métalliques a été développée au cours de ces travaux de thèse, ce qui a permis de lever le verrou que représente la limite des détections des appareils de caractérisation utilisés. Il s'est également avéré que le suivi de la température de combustion des nanodiamants de détonation constituait un bon indicateur de la pureté de ces derniers. Par ailleurs, la combinaison des traitements de chloration et de fluoration a permis d'augmenter de 200 °C la stabilité thermique de ces composés
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Dates and versions

tel-04700380 , version 1 (17-09-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04700380 , version 1

Cite

Killian Henry. Nanodiamants et graphite fluorés pour des réflecteurs de neutrons nouvelle génération. Chimie. Université de Lorraine, 2024. Français. ⟨NNT : 2024LORR0067⟩. ⟨tel-04700380⟩
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