Capteurs à base d'assemblages discontinus organisés pour la détection spécifique de gaz

Gas sensors based on organized assembles for specific gas detection

• Auteur / Autrice : Linda Baklouti
• Direction : Frédéric Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Guari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Favier, Yannick Guari, Myrtil Kahn, Khalifa Aguir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myrtil Kahn, Khalifa Aguir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Détecteurs de gaz

Capteurs (technologie)

Hydrogène (combustible)

Ammoniac

Mots clés libres

Fonctionnalisation de surface

Capteurs résistifs

Nano structures métalliques

Surface functionalization

Resistive sensors

Metallic nano structures

Core-Shell nanoparticles

Résumé

La détection et la surveillance des gaz est un enjeu important tant pour la sécurité industrielle que pour la protection de l’environnement et des personnes. Le dihydrogène, prend une place de plus en plus importante en tant que combustible et vecteur énergétique mais il est extrêmement inflammable et explosif dans un large domaine de 4 à 75 % dans l’air. De même, l’ammoniac est très utilisé dans l’industrie comme gaz réfrigérant ou comme élément de base pour la production chimiques d’autres composés. Ce gaz présente des risques sur l’environnement et sur les êtres vivants et peut former des mélanges explosifs avec l’air dans les limites de 15 à 28 % en volume. Les capteurs de gaz permettant d’indiquer la présence et/ou la quantification de ces gaz prennent alors toute leur importance. Dans la continuité de nos nombreux travaux sur les capteurs résistifs à base d’assemblages discontinus de nano-objets, l’objet de ce travail de thèse a été de préparer des capteurs résistifs pour la détection de H2 et NH3. Ces capteurs sont à base d’assemblages 2D de nanoparticules de compositions complexes. Trois types de nanoparticules cœur-coquille ont été synthétisés : Au@ZnO, Au@SnO2 et Au@Ag. Différentes techniques physico-chimiques (UV-Visible/TEM / DRX etc) ont permis de caractériser les particules obtenues. L’étape suivante a consisté à les assembler en monocouches compactes. Les films ont été obtenus par la méthode d’assemblage de Langmuir-Blodgett. Après transfert à la surface d’un substrat en verre supportant des électrodes inter digitées, les performances de détection des capteurs résistifs fabriqués ont été alors évaluées. Les capteurs à base de Au@ZnO et Au@SnO2 ont été testés sous H2, tandis que les capteurs à base de Au@Ag l’ont été sous NH3. Les capteurs fabriqués ont montré des performances attractives de détection de H2 et NH3 dans des gammes de concentration étendues. Une autre contribution importante de ce travail concerne la compréhension des mécanismes de détection. Diverses techniques analytiques, tels que la TPD (Température désorption Programmed) et la TPR (Température de réduction programmée) ont été utilisés pour permettre la discussion des les mécanismes impliqués.

Gas sensing and monitoring are important issues for both industrial safety and protection of the environment and human beings. Dihydrogen, is increasingly used as fuel and energy carrier but it is extremely flammable and explosive in a wide range between 4 and 75% in air.Similarly, ammonia is widely used in industry as a cooling gas or as a reagent for the chemical production of other compounds.This gas presents risks to the environment and to living beings and can form explosive mixtures with air within 15 to 28% by volume.Gas sensors, indicating the presence and /or quantification of these gases, are very important.In continuation of our work on resistive sensors based on discontinuous assembly of nano-objects, the aim of this thesis was to prepare resistive sensors for the detection of H2 and NH3.These sensors are based on 2D assemblies of complex compositions of nanoparticles. Three types of core-shell nanoparticles were synthesized: Au@ZnO, Au@SnO2 and Au@Ag. Different physicochemical techniques (UV-Visible / TEM / DRX etc.) were used to characterize the particles. The next step was to assemble them in compact monolayers. The films were obtained by Langmuir-Blodgett assembling technique. Then, they were transferred to the surface of a glass slide supporting interdigitated electrodes. Sensing performances of the as-fabricated resistive sensor were evaluated.Sensors based on Au@ZnO and Au@SnO2 nanoparticles were tested towards H2, while Au@Ag based sensors were tested under NH3.The sensors showed attractive performances in H2 and NH3 detection within wide concentration ranges. Another important contribution of this work is the understanding of detection mechanisms. Various analytical techniques such as TPD (Temperature Programmed Desorption) and TPR (temperature programmed reduction) were used for the discussion of the mechanisms involved.