Génération électro-assistée de films à base de silice : fonctionnalisation, mésostructuration et applications analytiques

par Emilie Sibottier

Thèse de doctorat en Chimie et Electrochimie Analytiques

Sous la direction de Alain Walcarius.

Soutenue le 14-11-2007

à Nancy 1 , dans le cadre de SESAMES , en partenariat avec Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour l’Environnement (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Mousty.

Le jury était composé de Christine Mousty, David Grosso, Bertrand Blankert, Claude Lecomte, Alain Walcarius, Mathieu Etienne.

Les rapporteurs étaient David Grosso, Bertrand Blankert.

mots clés

• Synthèse sol-gel
• Couches minces
• Électrochimie
• Sol-gel, Procédé
• Silice

Résumé

L’étude menée concerne divers aspects d’une nouvelle voie de synthèse sol-gel : la génération électro-assistée de films à base de silice fonctionnalisée et/ou mésostructurée, ainsi que leurs applications en électrochimie analytique. Des films à base de silice fonctionnalisée par des groupements amine ou thiol ont été déposés sur électrode d’or par catalyse électrochimiquement assistée de la polycondensation. La formation d’une monocouche auto-assemblée partielle de mercaptopropyltriméthoxysilane permet une très bonne adhésion du film silicaté sur la surface d’or. Le processus d’électro-dépôt est caractérisé par deux étapes successives de vitesse différente. A une étape de dépôt lent et régulier succède une croissance bien plus rapide du film. L’utilisation des électrodes modifiées a été envisagée en tant que capteur de Cu2+. En introduisant un tensioactif dans le sol de synthèse, il est possible d’électrogénérer des films à base de silice mésoporeuse de structure hexagonale avec les pores orientés perpendiculairement par rapport au substrat (difficile à obtenir par d’autres méthodes). Il semblerait que l’électrochimie permette à la fois un contrôle de la structure du tensioactif à la surface de l’électrode et la croissance simultanée du film sol-gel. Cette méthode d’électrogénération permet aussi d’obtenir des films fins homogènes sur des surfaces non planes ou présentant des hétérogénéités de conductivité. Enfin, une approche préliminaire a été proposée visant à appliquer le processus d’électrogénération, couplé à la technique de microscopie électrochimique à balayage, pour déposer localement des films à base de silice sous forme de plots de taille micrométrique sur or.

Titre traduit

Electro-assisted generation of silica films : functionalization, mesostructuration and analytical applications

Résumé

The study deals with various aspects of a novel method of sol-gel synthesis : the electro-assisted generation of functionalized and/or mesostructured silica thin films, and their applications in analytical electrochemistry. Sol-gel-derived silica films functionnalized with amine or thiol groups have been electrogenerated on gold electrodes. The formation of a partial self-assembled monolayer of mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) on gold led to a silica film adhering well to the electrode surface owing to the MPTMS acting as a « molecular glue ». The whole process was characterized by two successive distinct rates, starting by a slow deposition stage leading to thin deposits, which was followed by a much faster film growing in the form of macroporous coatings. The use of these modified electrodes was considered as a voltammetric sensor for copper(II). By adding a surfactant in the synthesis medium, it’s possible to electrogenerate mesostructured silica films with hexagonal structure with pore channels oriented perpendiculary to the substrate (which is difficult to get by other methods). The electrochemically-induced-self-assembly of surfactant-templated silica thin films can be applied to various conducting supports. The broad interest of the novel method was demonstrated by its ability to produce homogeneous deposits of silica on non-planar surfaces or heterogeneous substrates, what is difficult by the traditional techniques of film deposition. Finally, a preliminary approach has been proposed in order to apply the electrodeposition process coupled with a scanning electrochemical microscope in order to get localized sol-gel deposits at the micrometric size level on gold.