Développement de microcapteurs chimiques sélectifs à base de matériaux moléculaires : stratégies pour la surveillance de la qualité de l’air - Archive ouverte HAL Access content directly
Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2016

Développement de microcapteurs chimiques sélectifs à base de matériaux moléculaires : stratégies pour la surveillance de la qualité de l’air

Jerome Brunet

Abstract

Le présent manuscrit est donc consacré aux activités de recherche mais également d’enseignement que j’ai menés au sein de l’Institut Pascal site UFR – UMR 6602 du CNRS (ex LASMEA) et du département de Physique de l’UFR Sciences et Technologies de l’Université Blaise Pascal depuis la fin de mes travaux de doctorat. Il est organisé en trois parties. La première partie présente le contexte de mes activités de recherche, les projets et missions de recherche au sein desquels je me suis impliqué, mes responsabilités scientifiques ainsi que la production scientifique qui valorise mes travaux. Le positionnement de mon équipe de recherche au sein du l’Institut Pascal mais également au sein du Laboratoire d’Excellence IMobS3 est précisé. Les stratégies scientifiques et les défis que nous nous proposons de relever sont détaillés ainsi que les collaborations locales, nationales et internationales que nous avons établies. Sont également décrit mes travaux d’expertises ainsi que les actions de formation auxquelles j’ai participé pour compléter mon champ de compétence. La deuxième partie est consacrée aux développements, caractérisations, calibrations et validations de microcapteurs chimiques et de systèmes-capteur pour la mesure des faibles concentrations de polluants gazeux présents dans l’atmosphère. Parmi les polluants, mes travaux se sont focalisés sur la mesure des polluants oxydants et de certains Composés Organiques Volatiles (COVs). Cette deuxième partie se divise en trois chapitres. Le premier chapitre dresse un état des lieux des capteurs chimiques et leur positionnement sur le marché de la surveillance environnementale. Après avoir mis en évidence l’intérêt des microcapteurs chimiques pour le contrôle de la qualité de l’air, sera détaillé l’ensemble des exigences métrologiques auxquelles ils doivent satisfaire. Un état de l’art sur les différentes technologies mis en œuvre pour la conception de capteurs de gaz, y compris celles commercialisées, montre que peu d’entre elles permettent de répondre de manière satisfaisante à la problématique de la mesure fiable des faibles doses dans des phases gazeuses aussi complexe que l’atmosphère. Notre démarche et nos stratégies scientifiques (choix des matériaux, sélection des transducteurs, approche système-capteur) pour le développement de microcapteurs aptes à délivrer des mesures précises, répétables et sélectives du dioxyde d’azote et d’hydrocarbures mono-aromatiques sont présentées. Le deuxième chapitre décrit la conception, la caractérisation et la validation de systèmes-capteur dédiés à la mesure sélective du dioxyde d’azote dans l’air. La pertinence des microcapteurs résistifs à couche sensible de phtalocyanine métallique associés à une méthodologie de mesure optimisée est tout d’abord établie. Des mesures en conditions réelles valident ces choix technologiques. L’intégration de filtres chimiques au sein de la ligne fluide du système-capteur ou directement sur la couche sensible pour assurer une élimination sélective de l’ozone est ensuite présentée. Nous retiendrons l’indigo, les nanodisques et les nanotubes de carbone mais également l’hybride indigo/nanotubes de carbone comme les matériaux les plus performants. Les mécanismes réactionnels sont décrits en s’appuyant sur les réponses des microcapteurs et les caractérisations physiques et chimiques des matériaux sensibles avant et après expositions aux gaz cibles. Enfin, les résultats de la calibration de chaque système-capteur en laboratoire sont présentés. Le troisième chapitre détaille la conception, la caractérisation et la validation de microcapteurs à ondes acoustiques pour la mesure d’hydrocarbures monoaromatiques type BTEX dans l’air. Les choix des phtalocyanines comme matériaux sensibles et des microbalances à quartz comme transducteurs sont tout d’abord justifiés. L’étude d’un large panel de phtalocyanines métalliques a démontré l’influence des groupes périphériques au macrocycle sur les propriétés d’adsorption de ces polluants sur la couche sensible mais également la non-influence de la nature de l’atome métallique central. En raison d’un grand désordre structural et d’interactions plus nombreuses avec les molécules cibles, les microcapteurs à couches épaisses de phtalocyanines métalliques tetra-tert butylée possèdent les plus grandes sensibilités. Leurs performances métrologiques sont détaillées et démontrent les potentialités de détection à température ambiante de tels microcapteurs. Enfin, un gain significatif de sensibilité obtenu par le développement de matériaux hybrides phtalocyanine/nanocarbones est mis en évidence. Une partie conclusion et perspectives établit un bilan général des travaux réalisés et décrit succinctement les travaux en cours illustrés par quelques résultats préliminaires. Les thématiques scientifiques à venir sont également évoquées. La troisième partie est dédiée aux missions d’enseignement et aux responsabilités pédagogiques que j’ai assurées. Les enseignements dispensés ces dernières années au sein de l’UFR Sciences et Technologies de l’Université Blaise Pascal y sont précisés ainsi que ceux dont j’ai été le porteur. Mes fonctions électives, mes activités d’encadrement de projets pédagogiques, mon implication sur les différents dossiers d’accréditation de diplôme de licence dans le cadre des réformes LMD successives y sont également précisées. L’objectif de cette partie est de convaincre le lecteur que mes activités de recherche n’ont jamais été menées au détriment de mes missions d’enseignement et inversement. C’est également l’opportunité de remercier les collègues des équipes pédagogiques qui s’impliquent, bien souvent bénévolement, dans la gestion des parcours de formation et les étudiants qui me permettent de m’épanouir dans ce métier d’enseignant/chercheur.
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tel-03608615 , version 1 (15-03-2022)

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  • HAL Id : tel-03608615 , version 1

Cite

Jerome Brunet. Développement de microcapteurs chimiques sélectifs à base de matériaux moléculaires : stratégies pour la surveillance de la qualité de l’air. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand II, 2016. ⟨tel-03608615⟩
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